Was ist Kollimation?

In diesem Text erhalten Sie Antworten auf die folgenden Fragestellungen:

• Wie funktioniert Kollimation?

• Wie gelingt die optimale Kollimation?

• Wofür kann Kollimation eingesetzt werden?

• Was haben Laser mit Kollimation zu tun?

Wie funktioniert Kollimation?

Ein kollimierter Lichtstrahl ist ein Lichtstrahl, bei dem jeder Strahl des Strahls parallel zu jedem anderen Lichtstrahl verläuft. Zur Erzeugung von kollimiertem Licht können Sie entweder eine unendlich kleine Lichtquelle exakt eine Brennweite von einem optischen System mit positiver Brennweite entfernt platzieren oder die Punktlichtquelle aus der Unendlichkeit betrachten. In der realen Welt sind beide Szenarien unmöglich. Außerdem ergibt sich aus der Beugungstheorie, dass selbst dann, wenn eines dieser Szenarien erfüllt ist, noch eine gewisse Strahldivergenz existiert.

Um die Divergenz eines kollimierten Strahls zu minimieren, müssen in der Optik zwei Faktoren ausgeglichen werden: Die Brennweite des Kollimatorsystems und die Größe der Lichtquelle. Die folgende Gleichung beschreibt näherungsweise die Divergenz eines kollimierten Lichtstrahls:

Wie gelingt die optimale Kollimation?

Um ideal zu kollimieren, muss die Größe der Lichtquelle minimiert bzw. die Brennweite des Kollimatorsystems vergrößert werden. Wenn die Brennweite des Systems erhöht wird, muss allerdings das System weiter entfernt von der Lichtquelle platziert werden. Das bedeutet, dass weniger Licht durch das Fokussiersystem erfasst wird und die Gesamtleistung des entstehenden Strahls sinkt.

Strahlendivergenz bei kollimmiertem Licht

Bei kollimiertem Licht ist immer eine gewisse Strahldivergenz vorhanden. In der folgenden Abbildung erzeugen beide Systeme kollimiertes Licht. In den Bildern 2 und 4 existiert jedoch eine höhere Divergenz als in den Bildern 1 und 3, da die Lichtquellen größer sind. Die Bilder 2 und 4 gelten für die Erfassung von idealen Punktlichtquellen in kurzem Abstand. Jeder einzelne Punkt erzeugt ein Bündel paralleler Lichtstrahlen, aber als Zusammenfassung einer Serie von "Punktlichtquellen" entsteht ein Lichtstrahl mit einer gewissen Divergenz. Die Divergenz existiert, weil mit der Größe der Lichtquelle auch der Abstand der Lichtquelle von der optischen Achse und damit der Winkel des resultierenden Strahlbündels zur optischen Achse ansteigt.

Bild 1: Ideale Punktlichtquelle mit einem refraktiven Kollimator

Bild 2: Reale Lichtquelle mit Höhe y und refraktivem Kollimator

Bild 3: Ideale Punktlichtquelle mit refraktivem Kollimator

Bild 4: Reale Lichtquelle mit Höhe y und refraktivem Kollimator

Wofür kann Kollimation eingesetzt werden?

Kollimiertes Licht kann ideal bei Messanwendungen als Hintergrundbeleuchtung eingesetzt werden. Trifft kollimiertes Licht von hinten auf ein Objekt, entsteht eine scharf abgegrenzte Silhouette, die von einer Kamera aufgenommen werden kann. Auf dem entstandenen Bild kann das Objekt aufgrund der klaren Ränder hochpräzise vermessen werden. Bei nicht kollimierter Hintergrundbeleuchtung erscheinen die Ränder des Objekts unscharf und eine präzise Vermessung wird erschwert.

Was haben Laser mit Kollimation zu tun?

Laser können stark kollimiertes Licht emittieren, je nach Laserart sind die Strahlen, die den Laser verlassen, mehr oder weniger parallel. Perfekt kollimiertes Licht gibt es jedoch auch bei Lasern nicht, es liegt immer eine gewisse Divergenz vor, d.h. die Lichtstrahlen laufen ab einer bestimmten Entfernung zur Quelle auseinander. Optiken können helfen, um aus Laserlicht einen möglichst gut kollimierten Strahl zu erzeugen.

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