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Überlegungen zur Kollimation

Überlegungen zur 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 zwei Faktoren ausgeglichen werden: Die Brennweite des Kollimatorsystems und die Größe der Lichtquelle. Die folgende Gleichung beschreibt näherungsweise die Divergenz eines kollimierten Lichtstrahls:

(1)$$ \text{Divergenz} \approx \frac{\text{Größe der Lichtquelle}}{\text{Brennweite des Kollimatorsystems}} $$

Um eine ideale Kollimation zu erreichen, 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.

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 1: Ideale Punktlichtquelle mit einem refraktiven Kollimator
Bild 2: Reale Lichtquelle mit Höhe y und refraktivem Kollimator
Bild 2: Reale Lichtquelle mit Höhe y und refraktivem Kollimator
Bild 3: Ideale Punktlichtquelle mit refraktivem Kollimator
Bild 3: Ideale Punktlichtquelle mit refraktivem Kollimator
Bild 4: Reale Lichtquelle mit Höhe y und refraktivem Kollimator
Bild 4: Reale Lichtquelle mit Höhe y und refraktivem Kollimator

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