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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der quantitativen Mikrospektroskopie
und insbesondere ein Verfahren zur Bestimmung der genauen Dicke
eines optischen mikroskopischen Prüfkörpers.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Auf
vielen Gebieten der Wissenschaft und Technik besteht eine Notwendigkeit,
die Konzentration von chemischen Substanzen in kleinen Prüfkörpern zu
bestimmen. Ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration einer
Substanz ist die quantitative Mikrospektroskopie. In diesem Fall
misst man die optische Extinktion A(λ, c), die mit der Konzentration
c über
die einfache Gleichung (1): A(λ,
c) = a(λ)cz (1)in Beziehung
steht, worin λ die
optische Wellenlänge,
a(λ) der
wellenlängenabhängige Absorptionskoeffizient und
z die Prüfkörperdicke
sind.
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Der
Fehler bei der Bestimmung der Konzentration wird durch die Gleichung
(2):
angegeben.
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Der
Fehler bei der Extinktionsmessung kann extrem niedrig gehalten werden,
indem die moderne Optoelektronik und elektronische Ausrüstung angewandt
wird. Für
eine bestimmte Substanz kann der Absorptionskoeffizient a(λ) genau vorher
bestimmt werden, indem große
Prüfkörper mit
einer Dicke im Bereich von 1 mm bis 10 mm verwendet werden. Folglich
wird der Fehler bei der Bestimmung der Konzentration c in kleinen Prüfkörpern mit
einer Dicke im Sub-mm-Bereich durch den Fehler beim Messen der Prüfkörperdicke
beherrscht und durch die Gleichung (3):
erhalten.
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Aus
der Gleichung (3) folgt, dass die Bestimmung der Konzentration einer
chemischen Substanz innerhalb eines Mikroprüfkörpers mit einer Dicke von 10 μm mit einer
Genauigkeit von 1 % die Kenntnis der Prüfkörperdicke mit einer Genauigkeit
von 1 % erfordern würde,
d.h., mit einer Genauigkeit von 100 nm.
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Die
Herstellung von Mikroprüfkörperbehältern mit
einer Genauigkeit der Prüfkörperdicke
von 100 nm könnte
möglich
sein, wird aber als kostenintensiv erwartet. Außerdem werden sich derartige
Mikroprüfkörperbehälter über ihre
Haltbarkeitsdauer während
der Lagerung wahrscheinlich verformen, oder sie werden sich infolge
des Einführens
des Prüfkörpers verformen.
Es ist offensichtlich, dass es praktisch ist, die genaue Prüfkörperdicke
zum Zeitpunkt der Verwendung zu bestimmen, nachdem der Prüfkörper in
den Behälter
eingeführt wurde.
Folglich besteht eine Notwendigkeit für ein Verfahren und eine Vorrichtung
für das
genaue Bestimmen der Dicke von dünnen
optischen Prüfkörpern.
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Das
JP 09068404A offenbart
eine Mikroskopvorrichtung mit einem System für das Ausrichten von Markierungen,
die auf einer Vielzahl von Objektträgern vorhanden sind. Eine Ausrichtmarkierung
auf dem oberen Flächenabschnitt
eines Objektträgers
wird fokussiert, gefolgt von der Einstellung des Brennpunktes auf eine
Ausrichtmarkierung auf der unteren Fläche des Objektträgers. Das
wird mehrmals wiederholt, bis ein gewünschter Objektträger innerhalb
eines Stapels von Objektträgern
im Brennpunkt ist. Es gibt keinen Hinweis in diesem Dokument, dass
die Fokussierung auf Ausrichtmarkierungen bei einem Verfahren des
Messens der Dicke eines Prüfkörperbehälters nützlich sein
könnte.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für das genaue
Bestimmen der Dicke von optischen Prüfkörpern zu dem Zeitpunkt, zu
dem eine Extinktionsmessung oder andere spektroskopische Messungen
bei diesem Prüfkörper vorgenommen
werden, bereitzustellen.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung wird das vorangehend angeführte Ziel
erreicht, indem ein Prüfkörperbehälter bereitgestellt
wird, der ein erstes und ein zweites optisch durchlässiges Fenster
aufweist, wobei die Innenfläche
des ersten Fensters erste optische Markierungen und die Innenfläche des
zweiten Fensters zweite optische Markierungen aufweisen, wobei der
Prüfkörperbehälter in
ein optisches Mikroskop gebracht wird, der Prüfkörperbehälter bewegt wird, bis eine
der ersten optischen Markierungen identifiziert und innerhalb des
Blickfeldes lokalisiert wird, der Prüfkörper danach bewegt wird, bis
die erste optische Markierung genau scharf abgebildet wird, die
erste scharf abgebildete Position registriert wird, danach der Prüfkörperbehälter bewegt
wird, bis eine der zweiten optischen Markierungen identifiziert
und innerhalb des Blickfeldes lokalisiert wird, der Prüfkörper bewegt
wird, bis die zweite optische Markierung genau scharf abgebildet
wird, die zweite scharf abgebildete Position registriert wird und
schließlich
die Differenz zwischen der ersten und der zweiten scharf abgebildeten
Position berechnet wird, die verwendet werden kann, um die Prüfkörperdicke
zu bestimmen, indem der Brechungsindex des Prüfkörpers berücksichtigt wird.
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Bei
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung ist das Mikroskop mit einem Abbildungsempfänger ausgestattet,
der mit einem Bildverarbeitungssystem und einem Computer verbunden
ist, die ein Bilderkennungsverfahren durchführen. Der Mikroskopprüfkörperobjekttisch
ist mit einem Objekttischregler und dem Computer verbunden, die
ein automatisches Fokussierverfahren gestatten. Auf diese Weise
kann die gesamte Bestimmung der Prüfkörperdicke als ein automatisieretes
Verfahren durchgeführt
werden. Für
den Zweck der Identifizierung und Unterscheidung sind die erste
und die zweite optische Markierung unterschiedlich. Es ist vorteilhaft,
wenn die Markierungen in einem regelmäßigen Bild über die gesamte Fensterfläche angeordnet werden.
Viele unterschiedliche Formen von Markierungen sind möglich und
liegen innerhalb des Bereiches der Erfindung. Die Markierungen können von
begrenzter Größe sein,
wie beispielsweise Quadrate und Dreiecke, können aber ebenfalls von unbegrenzter
Größe sein,
wie beispielsweise Linien, Rechteckwellen oder andere „Wellenformen". Außerdem können unterschiedliche
Arten von Markierungen, basierend auf der Absorption, Reflexion,
Streuung und anderen optischen Effekten, verwendet werden und wären dennoch
innerhalb des Bereiches der Erfindung.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigen:
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1 schematisch
eine mikroskopische Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung;
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2 zwei
Arten von optischen Markierungen, die auf den zwei Fenstern angeordnet
sind, wie durch das Mikroskop gesehen wird, wobei sich die Markierungen
nicht miteinander überdecken;
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3 zwei
Arten von optischen Markierungen, die auf den zwei Fenstern angeordnet
sind, wie durch das Mikroskop gesehen wird, wobei sich die Markierungen
miteinander überdecken;
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4 optische
Markierungen in der Form von gestrichelten Linien;
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5 optische
Markierungen in der Form von dünnen
Volllinien.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft in einer Ausführung ein Verfahren zur genauen
Bestimmung der Dicke von optischen Prüfkörpern zum Zeitpunkt, zu dem
eine Extinktionsmessung oder andere spektroskopische Messungen beim
Prüfkörper (bei
den Prüfkörpern) vorgenommen
werden, das die folgenden Schritte aufweist:
- a)
Bereitstellen eines Prüfkörperbehälters, der
ein erstes und ein zweites optisch durchlässiges Fenster aufweist, wobei
die Innenfläche
des ersten Fensters erste optische Markierungen und die Innenfläche des zweiten
Fensters zweite optische Markierungen aufweist;
- b) Ablegen eines optischen Prüfkörpers im Prüfkörperbehälter;
- c) Einführen
des Prüfkörperbehälters in
ein optisches Mikroskop;
- d) Bewegen des Prüfkörperbehälters, bis
eine der ersten optischen Markierungen identifiziert und innerhalb des
Blickfeldes lokalisiert ist, und danach Bewegen des Prüfkörpers, bis
die erste optische Markierung genau scharf abgebildet ist, und Registrieren
der ersten scharf abgebildeten Position;
- e) danach Bewegen des Prüfkörperbehälters, bis
eine der zweiten optischen Markierungen identifiziert und innerhalb
des Blickfeldes lokalisiert ist, und Bewegen des Prüfkörpers, bis
die zweite optische Markierung genau scharf abgebildet ist, und
Registieren der zweiten scharf abgebildeten Position;
- f) Berechnen der Differenz zwischen der ersten und der zweiten
scharf abgebildeten Position; und
- g) Bestimmen der Dicke des optischen Prüfkörpers.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung, und wie in 1 veranschaulicht
wird, wird ein Prüfkörperbehälter 1 für das Ablegen
eines Prüfkörpers bereitgestellt,
der ein erstes optisch durchlässiges
Fenster 2 und ein zweites optisch durchlässiges Fenster 3 aufweist,
wobei die zwei Fenster durch eine Wand 4 getrennt sind, die
die Dicke eines optischen Prüfkörpers bestimmt,
der zwischen den Fenstern 2 und 3 angeordnet wird.
Die Innenfläche
des ersten Fensters 2 weist erste optische Markierungen
auf, und die Innenfläche
des zweiten Fensters 3 weist zweite optische Markierungen
auf.
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Für den Zweck
der Identifizierung und Unterscheidung sind die erste und die zweite
optische Markierung unterschiedlich. Es ist vorteilhaft, wenn die
Markierungen in einem regelmäßigen Bild über die
gesamte Fensterfläche
angeordnet werden. Viele unterschiedliche Formen von Markierungen
sind möglich
und liegen innerhalb des Bereiches der Erfindung. Die Markierungen
können
von begrenzter Größe sein,
wie beispielsweise Quadrate und Dreiecke, können aber ebenfalls von unbegrenzter
Größe sein,
wie beispielsweise Linien, Rechteckwellen oder andere „Wellenformen". Außerdem können unterschiedliche
Arten von Markierungen, basierend auf der Absorption, Reflexion,
Streuung und anderen optischen Effekten, verwendet werden und wären dennoch
innerhalb des Bereiches der Erfindung. Um optische Markierungen
zu erzeugen, können
unterschiedliche Technologien angewandt werden, die in der Halbleiterindustrie
und der Mikrobearbeitung bekannt sind.
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2 zeigt
als Beispiel zwei Arten von optischen Markierungen, die auf den
zwei Fenstern des Prüfkörperbehälters 1 angeordnet
sind, wie durch das Mikroskop 100 gesehen wird. In diesem
Fall sind kreisförmige
Markierungen 101 am ersten Fenster 2 und quadratförmige Markierungen 102 am
zweiten Fenster 3 angeordnet. Die Markierungen überdecken
sich nicht miteinander.
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3 zeigt
zwei Arten von optischen Markierungen, die auf den zwei Fenstern
angeordnet sind, wie durch das Mikroskop 200 gesehen wird,
wobei sich die Markierungen miteinander überdecken. In diesem Fall stellt
ein offener Kreis 201 die erste Markierung dar, und ein
ausgefülltes
Quadrat 202 stellt die zweite Markierung dar. Das gestattet
die Gestaltung einer Software, die die zwei Arten von Markierungen
trennen kann, selbst wenn sie sich überdecken.
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4 zeigt
optische Markierungen in der Form von gestrichelten Linien, wie
durch das Mikroskop 300 gesehen wird. Die Linien 301,
die in der „West-Ost"-Richtung ausgerichtet
sind, sind auf dem ersten Fenster 2 des Prüfkörperbehälters 1 angeordnet,
und die Linien 302, die in der „Nord-Süd"-Richtung ausgerichtet sind, sind auf
dem zweiten Fenster 3 des Prüfkörperbehälters 1 angeordnet.
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5 zeigt
optische Markierungen in der Form von Volllinien, wie sie durch
das Mikroskop 400 gesehen werden. Die Linien 401,
die in der „West-Ost"-Richtung ausgerichtet
sind, sind auf dem ersten Fenster 2 des Prüfkörperbehälters 1 angeordnet,
und die Linien 402, die in der „Nord-Süd"-Richtung ausgerichtet sind, sind auf
dem zweiten Fenster 3 des Prüfkörperbehälters 1 angeordnet.
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Wie
in 1 veranschaulicht wird, wird der Prüfkörperbehälter 1 auf
den Prüfkörperobjekttisch 5 eines optischen
Mikroskops 8 gebracht. Der Prüfkörperobjekttisch 5 wird
in der X-, Y- und Z-Richtung mittels einer Objekttischregelanlage 6 durch
einen Systemcomputer 7 gesteuert. Die X-, Y- und Z-Richtungen werden
in 1 dargelegt. Im Bereich der Mikroskopie bedeutet
die Z-Richtung eine Bewegung in der vertikalen Richtung. Um die
Extinktionsmessung innerhalb des Prüfkörpers zu gestatten, wird das
Mikroskop 8 mit einer Lichtquelle 9 ausgestattet.
Diese Quelle kann ebenfalls benutzt werden, wenn absorptionsfähige oder
zerstreuende Markierungen verwendet werden. Der Prüfkörper innerhalb
des Prüfkörperbehälters 1 kann
ebenfalls in Epi-Konfiguration bei Verwendung einer zweiten Lichtquelle 10 in
Verbindung mit einem Strahlenteiler 11 beleuchtet werden.
Die Lichtquelle 10 kann ebenfalls eingesetzt werden, wenn
reflektierende Markierungen verwendet werden.
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Eine
bevorzugte Ausführung
einer Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung weist
ebenfalls einen Abbildungsempfänger 12 auf,
wie beispielsweise einen Ladungsspeicherbaustein (CCD-Kamera), der mit
einem Bildverarbeitungssystem 13 und einem Systemcomputer 7 verbunden
ist. Die funktionelle Gruppe von Empfänger 12, Bildverarbeitungssystem 13,
Computer 7 und Objekttischregler 6 gestattet das
Durchlaufen eines Bilderkennungsprogrammes, nachdem ein Prüfkörper auf
den Objekttisch 5 gebracht wurde. Diese Gruppe gestattet
ebenfalls das Durchlaufen eines automatisierten Fokussierprogrammes,
nachdem eine spezielle Markierung identifiziert wurde.
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Beim
Betrieb wird ein optischer Prüfkörper im
Prüfkörperbehälter 1 abgelegt.
Danach wird der Prüfkörperbehälter 1,
der sich auf dem Objekttisch 5 befindet, mittels des Objekttischreglers 6 in
der X- und Y-Richtung bewegt, bis eine der ersten optischen Markierungen
identifiziert und innerhalb des Blickfeldes lokalisiert wird, vorzugsweise
in der Nähe
der Mitte. Bei einem nächsten
Schritt wird der Prüfkörperbehälter 1,
der am Objekttisch 5 befestigt ist, danach in der Z-Richtung
bewegt, bis die erste optische Markierung genau scharf abgebildet
wird. Nachdem das erreicht ist, wird die erste scharf abgebildete
Position im Computer registriert. Als nächstes wird der Prüfkörperbehälter 1 mittels
des Objekttischreglers 6 in der X- und Y-Richtung bewegt,
bis eine der zweiten optischen Markierungen identifiziert und innerhalb
des Blickfeldes lokalisiert wird, vorzugsweise in der Nähe der Mitte.
Wiederum wird der Prüfkörperbehälter 1 mittels
des Objekttischreglers 6 bewegt, bis die zweite optische
Markierung genau scharf abgebildet wird, und die zweite scharf abgebildete
Position wird registriert.
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Schließlich wird
die Differenz zwischen der ersten und der zweiten scharf abgebildeten
Position berechnet. Dieser Wert kann dann verwendet werden, um die
Prüfkörperdicke
zu bestimmen, indem der optische Brechungsindex des Prüfkörpers berücksichtigt
wird. In den meisten praktischen Fällen kann der Einfluss, den die
Prüfkörperkonzentration
auf den optischen Brechungsindex hat, vernachlässigt werden.
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Kombiniert
man die Schritte des Aufbringens der Markierung, der Identifizierung
der Markierung mittels Bilderkennung und des automatischen Fokussierens
auf die zwei Arten von optischen Markierungen entsprechend der vorliegenden
Erfindung, so liefert das ein Mittel zur Automatisierung des Vorganges
der Bestimmung der Prüfkörperdicke.
Außerdem
gestattet dieses Verfahren die Bestimmung der Prüfkörperdicke in einem Bereich,
der fast identisch mit dem Bereich ist, wo eine Extinktionsmessung
an einem dünnen
und kleinen Prüfkörper vorgenommen
wird. Folglich kann eine genaue Konzentrationsmessung durchgeführt werden.
Beispielsweise wurden vorläufige
Durchführbarkeitsversuche
offenbart, dass die Dicke einer 200 μm dicken Flüssigkeit mit einer Genauigkeit
von ± 0,05 μm bestimmt
werden kann.
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Das
Verfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung kann für die Bestimmung
der Dicke von Flüssigkeitsprüfkörpern ebenso
wie Gelprüfkörpern und
gasförmigen
oder Dampfprüfkörpern genutzt
werden. Es ist jedoch nicht beabsichtigt, dass das Verfahren der
vorliegenden Erfindung auf derartige Prüfkörper beschränkt wird.
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Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung kann ebenfalls bei festen optisch
durchlässigen
Prüfkörpern mit
mindestens zwei oder mehr als zwei polierten Flächen angewandt werden. Bei
diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist kein Prüfkörperbehälter erforderlich,
weil der feste Prüfkörper direkt
auf einem Mikroskopobjektträger
angebracht oder angeordnet werden kann. Die optischen Markierungen
würden
ebenfalls direkt auf den zwei oder mehr als zwei Prüfkörperflächen, die
von Interesse sind, aufgebracht werden. Daher betrifft dieser Aspekt
der vorliegenden Erfindung spezieller ein Verfahren für die genaue
Bestimmung der Dicke von durchlässigen
festen optischen Prüfkörpern zu
dem Zeitpunkt, zu dem eine Extinktionsmessung oder andere spektroskopische
Messungen beim Prüfkörper (bei
den Prüfkörpern) vorgenommen
werden, das die folgenden Schritte aufweist:
- a)
Bereitstellen eines Mikroskopobjektträgers;
- b) Ablegen eines durchlässigen
festen optischen Prüfkörpers mit
einer ersten Fläche
und einer zweiten Fläche
auf dem Objektträger,
wobei die erste Fläche
erste optische Markierungen aufweist, und wobei die zweite Fläche zweite
optische Markierungen aufweist;
- c) Anordnen des Mikroskopobjektträgers in einem optischen Mikroskop;
- d) Bewegen des Mikroskopobjektträgers, bis eine der ersten optischen
Markierungen identifiziert und innerhalb des Blickfeldes lokalisiert
wird, und danach Bewegen des Prüfkörpers, bis
die erste optische Markierung genau scharf abgebildet wird, und
Registrieren der ersten scharf abgebildeten Position;
- e) danach Bewegen des Mikroskopobjektträgers, bis eine der zweiten
optischen Markierungen identifiziert und innerhalb des Blickfeldes
lokalisiert wird, und Bewegen des Prüfkörpers, bis die zweite optische
Markierung genau scharf abgebildet wird, und Registrieren der zweiten
scharf abgebildeten Position;
- f) Berechnen der Differenz zwischen der ersten und der zweiten
scharf abgebildeten Position; und
- g) Bestimmen der Dicke des optischen festen Prüfkörpers.
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Bei
Anwendung des Verfahrens entsprechend der vorliegenden Erfindung
würde man
daher nicht nur die absolute Prüfkörperdicke
mit hoher Genauigkeit bestimmen können, sondern ebenfalls bestimmen
können, wie
parallel die Prüfkörperflächen sind.
Einerlei, ob Flüssigkeits-,
Gel-, Dampf- oder feste Prüfkörper gemessen
werden, es gibt keine Grenze hinsichtlich der Prüfkörperdicke, wenn eine geeignete
Objektivlinse im Mikroskop verwendet wird.
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Bei
einer Ausführung
der Erfindung wurden eine computergesteuerte Objekttisch- und Prüfkörperbewegung
beschrieben. Es liegt jedoch ebenfalls innerhalb des Wesens der
vorliegenden Erfindung, die Prüfkörper manuell
in der X-, Y- und Z-Richtung zu bewegen, und visuelle Beobachtungen
betreffs der Art der darin vorgefundenen optischen Markierung und
betreffs der scharf abgebildeten Positionierung vorzunehmen.
