Kollimator

Kollimator für paralleles Lichtbündel.
Als punktförmige Lichtquelle dient eine Lochblende (B).

Ein Kollimator (lat. collineare „geradeaus zielen, richten“^[1] urspr. falsch gelesen als collimare^[2]) dient zur Erzeugung eines parallelen Strahlenverlaufs, also zur Kollimation.

Auch Kondensoren und Beleuchtungssysteme bestehen oft aus einem Kollimator-Teil, auf welchen die Kondensorlinse oder Bildfeldlinse folgt.

In der technischen Optik wird bei Verwendung sichtbaren Lichtes mit einem Kollimator auch eine Mess-Skala im Unendlichen abgebildet.

Kollimator für sichtbares Licht

Kollimator für paralleles Lichtbündel vor einem Prismenspektrometer

Winkelmessung mit einem Autokollimator

Bei Verwendung sichtbaren Lichts wird in der technischen Optik einerseits grundsätzlich, andererseits im Besonderen von einem Kollimator gesprochen:

• Grundsätzlich wird mittels einer Sammellinse L (siehe oben stehende Abbildung) das Licht einer mehr oder weniger punktförmigen Quelle in ein paralleles Strahlenbündel verwandelt. Die Lichtquelle ist in der vorderen Brennebene der Linse angeordnet. Beispiel ist die dem Dispersionsprisma eines Prismenspektrometers vorgeschaltete Kollimator-Linse (siehe nebenstehende Abbildung).
• Im Besonderen befindet sich in der vorderen Brennebene der Linse eine beleuchtete Mess-Skala (zum Beispiel eine Strichplatte), die mittels parallelem Strahlengang nach der Linse ins Unendliche (∞) abgebildet wird. Ein solches künstliches Ziel in unendlicher Entfernung eignet sich für Winkelmessungen, weil es unempfindlich gegen Parallelverschiebung des Kollimators ist.^[3] Befindet sich die Mess-Skala in der Brennebene eines Fernrohr-Objektivs, entsteht ein Hilfsgerät zur Prüfung und Justierung optischer Instrumente. Die Verbindung eines Kollimators mit eigener Linse mit einem vorgesetzten Fernrohr erlaubt vielfältige Anwendungen bei messtechnischen Aufgaben, insbesondere bei Richtungs- und Winkelbestimmungen.^[4] Ein spezieller Kollimator ist der Autokollimator (oder Autokollimationsfernrohr), bei dem das Licht vom drehbaren Mess-Spiegel zu seinem Ausgangsort zurückgeworfen wird (siehe nebenstehende Abbildung). Die Empfindlichkeit bei der Richtungs- und Winkelbestimmung ist doppelt so groß wie bei der Kombination aus Kollimator und Fernrohr.^[5]

Die Brennweite eines Objektivs ist für eine Abbildung aus dem Unendlichen definiert. Mit Hilfe eines Kollimators kann ein in endlicher Entfernung befindliches Messobjekt mit einem zu untersuchenden Objektiv aus dem Unendlichen abgebildet werden, wobei neben der Brennweite auch die äußeren Hauptebenen des Objektivs bestimmt werden können.^[6]

Lichtquelle/Blende/Mess-Skala und Linse sind häufig von einem innen geschwärzten Tubus (Rohr) umgeben, um Streulicht fernzuhalten. Um Abbildungsfehler zu reduzieren, können entweder eine asphärische Linse oder ein System aus mehreren Linsen verwendet werden.

Eine ähnliche Funktion wie der Kollimator hat die Kollektor-Linse in einer Beleuchtungseinrichtung für Durchlicht-Mikroskope. Das mit dem Kollektor zunächst parallel gerichtete (kollimierte) Licht wird anschließend mit einer Kondensor-Linse im Objektiv fokussiert.

Kollimatoren für Röntgen-, Gamma- oder Teilchenstrahlung

Oben: ungefiltertes Strahlenbündel,
unten: ein Kollimator filtert die Strahlen

Kollimator für Neutronenstrahlung

Hexagonaler Parallelloch-Kollimator aus Blei für Gammastrahlung

Die einfachste, bei geeigneter Materialwahl für fast jede Strahlenart verwendbare Art des Kollimators ist ein Block aus einem Abschirmmaterial – zum Beispiel für Röntgen- oder Gammastrahlung meist Blei – mit vielen dünnen, geraden Bohrungen. Nur Strahlung, die annähernd in Richtung der Bohrungen verläuft, kann den Kollimator passieren, alle anderen Strahlen werden absorbiert. Je nach Ausführung (Dicke des Blocks und Durchmesser der Bohrungen) und nach Art des ursprünglichen Strahlenbündels gelangt zum Beispiel weniger als ein Prozent der einfallenden Strahlung durch den Kollimator.

Falls die Strahlenquelle annähernd punktförmig ist, dient als Kollimator in einfachen Fällen ein Materialblock mit nur einer einzigen Bohrung.

Einsatzgebiete

Kollimatoren kommen unter anderem bei der Bildgebung in der Astronomie und in der Medizin zum Einsatz, z. B. als Multilamellenkollimator in der Strahlentherapie. Kollimatoren finden auch in Strahlungsdetektoren Anwendung, bei denen eine ausgeprägte Vorzugsrichtung benötigt wird. Mit Hilfe von Autokollimatoren können exakte Winkelmessungen vorgenommen werden.

Im Feld der Röntgenoptik werden zur Kontrolle von Röntgenstrahlung Kollimatoren wie die Kollimatorblende verwendet, die nicht (nur) auf Absorption, sondern auf streifender Reflexion beruhen. Bei medizinischen Aufnahmen hilft ein Kollimator (Buckyblende) Streustrahlung auszuscheiden. Damit die Struktur des Kollimators nicht mit abgebildet wird, kann dieser während der Belichtungszeit auch hin und her bewegt werden, was hörbar und am angepressten Körper als Rumoren spürbar sein kann.

Im militärischen Bereich finden Kollimatoren in Reflexvisieren Anwendung, um das Zielen mit Schusswaffen sehr zu vereinfachen. Auch Head-up-Displays zur Darstellung von Informationen im Sichtbereich von Piloten und heutzutage auch in zivilen PKWs enthalten Kollimatoren.

Literatur

• Friedrich Kohlrausch: Praktische Physik, Band 2, 24. neubearb. u. erw. Aufl., 1996, ISBN 3-519-23002-X

Kap 6.1 Geometrische Optik

Kap 7.3 Strahlungsquellen, Referenzstrahlungquellen

• Bergmann, Schaefer: Lehrbuch d. Experimentalphysik, Band 3 Optik, 10. Aufl., 2004, ISBN 978-3-11-017081-8
• Max Born: Optik, 3. Aufl, 1972, ISBN 3-540-05954-7
• OKW: Vorschrift D 250 – Richtkreis-Kollimator 12 m – 1942

Einzelnachweise