Optischer Spalt

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Typische Ausführung eines rechteckigen optischen Spalt (Schlitzblende) mit über vier Schrauben (in x- und y-Richtung) justierbaren Kanten für optische Laboraufbauten.

Als Schlitzblende oder optischen Spalt bezeichnet man in der Optik eine Blende mit einer schmalen, länglichen, meist rechteckigen Öffnung. Schlitzblenden werden oft zum Ausblenden unerwünschten Lichts oder zur Strahlformung verwendet.

Schlitzblenden und Beugung

Wird eine Schlitzblende zur Strahlformung eingesetzt und ihre Öffnung ganz ausgeleuchtet, so können Beugungseffekte eine wichtige Rolle spielen. Um diese Effekte zu beschreiben, muss das Licht im Rahmen der Wellenoptik beschrieben werden. Die Stärke und Sichtbarkeit dieser Effekte hängt wesentlich von der Breite des Spaltes (relativ zur Wellenlänge des eingestrahlten Lichts) und der Kohärenz des eingestrahlten Lichts ab:

Intensitätsverteilung hinter einem schmalen (oben) und breiten (unten) Spalt, bei Beleuchtung mit einem Laser. Links ist der Spalt zu sehen, in der Mitte ein Foto und rechts die vertikal aufsummierte Intensitätsverteilung

• Schmale Spaltblende: Wenn die Breite des Spalts in die Größenordnung der Wellenlänge der optischen Strahlung gelangt (beispielsweise kleiner als das Zehnfache der Wellenlänge), ist die vom Spalt erzeugte Lichtverteilung von Beugungseffekten dominiert, wie in der folgenden Abbildung gezeigt, wird der eigentlich rechteckige Spalt auf ein charakteristisches Linienmuster verbreitert. Man spricht allgemein von der Beugung am Spalt. Intensitätsminima ergeben sich in den Richtungen φ, wo man den Gesamtstrahl in eine gerade Anzahl Teilstrahlen aufteilen kann, wobei je zwei benachbarte Teilstrahlen gerade eine halbe Wellenlänge λ an Gangunterschied d aufweisen (s = Breite des Spalts; n = Beugungsordnung):

$2d_{min}=n\lambda =s\cdot sin(\varphi ),n\in \mathbb {Z} ,n\neq 0$

Bei n=0 (geradeaus, „nullte Ordnung“) ist alles in Phase, also ergibt sich keinerlei Auslöschung. Weitere Maxima ergeben sich in Richtungen gerade zwischen den Beugungsminima, wo gilt:

$2d_{max}=(n+{\frac {1}{2}})\lambda =s\cdot sin(\varphi ),n\in \mathbb {Z}$

• 
  Skizze zur Beugung am Spalt

Wenn die Breite des Spalts weiter verringert wird, wird die Beugungsstruktur immer breiter, so dass sie dann ab einer Grenze je nach Anwendung ebenfalls nicht mehr ins Gewicht fällt. Das wird vor allem beim optischen Gitter wichtig, das man als eine Anordnung von vielen parallelen, sehr schmalen Einzelspalten ansehen kann.

• Breite Spaltblende: Wenn die Weite des Spalts deutlich breiter als die Wellenlänge (wie oben etwa wesentlich größer als das Zehnfache der Wellenlänge) der einfallenden Strahlung ist, sind die Beugungserscheinungen nicht mehr dominierend. Das durchgehende Licht kann oft im Rahmen der geometrischen Optik als Strahl betrachtet werden. Beugungserscheinungen treten hier am ehesten am Rand des Spaltbildes auf, wenn die Blende mit kohärentem Licht (z. B. aus einem Laser) bestrahlt wird.

Anwendung

Monochrmatoren & Spektrometer

Wellenlängenselektion durch eine Schlitzblende in einem Monochromator:
Einfallendes Licht wird durch ein Gitter in die Spektralfarben aufgespalten (Dispersion). Die Blende wird so positioniert, dass nur Licht der gewünschten Farbe durchfällt.

In der Physik werden beide Schlitzblenden vor allem in Spektrometern und Monochromatoren eingesetzt. Dort dienen Sie zur Auswahl eines Teils des zuvor aufgespalteten Lichtspektrums (siehe Abbildung rechts). Ein dispersives Element, wie ein Beugungsgittern oder ein Prismen wird zunächst benutzt, um einfallendes Licht spektral aufzuspalten. Dann wird nur ein Teil des Lichts aus diesem Spektrum selektiert, indem die anderen teile durch eine Schlitzblende ausgeblendet werden. In Monochromatoren kann so Licht aus einem wählbaren und definierten Spektralbereich erzeugt werden. In Spektrometern wird so ausgewählt, aus welchem Spektralbereich Licht detektiert wird. Durch verschieben des Spaltes kann dann das gesamte Spektrum aufgezeichnet werden.

Oft ist die Breite solcher Spalte von Hand einstellbar. Die Breite wird dabei dem verwendeten Wellenlängenbereich oder auch der benötigten Intensität angepasst (Auflösung wird beispielsweise geopfert durch eine breitere Einstellung, um mehr Intensität und damit ein besseres Signal/Rauschverhältnis zu erzielen).

Strahlformung

Schlitzblenden können allgemeiner auch zur Strahlformung eingesetzt werden. Dabei werden Sie von hinten großflächig beleuchtet und die Schlitzblende formt ein rechteckiges Strahlbündel einstellbarer Ausmaße. So kann verhindert werden, dass Licht auf Teile eines optischen Aufbaus fällt, in dem es durch Streuung oder ungewollte Reflexe stören würde. Dieses Prinzip findet z.B. beim Eingansspalt der oben erwähnten Spektrometer und z.B. bei Single Plane Illumination Microscopy (SPIM) Anwendung. Bei letzterer formt ein einstellbarer Spalt ein rechteckiges Strahlenbündel, das dann mit Hilfe einer Zylinderlinse zu einem Lichtblatt fokussiert wird. Bei der Strahlformung sind Spalte meißt so breit, dass ein Einzelspalt-Beugungsmuster nicht zu sehen ist. Beugung ist aber weiterhin an den Rändern des Spaltes zu sehen, was zu einem verbreiterten Abfallen der Randintensitäten führt (siehe Bild des breiten Spaltes, oben).

Bildfeldbegrenzung

Umgekehrt werden Blenden auch oft eingesetzt, um Bildfelder einzugrenzen. So kann etwa ein kleiner Bereich aus einem Mikroskopbild ausgeschnitten werden und dann nur auf einen Teil eines Bildsensors abgebildet werden. Mit Hilfe zusätzlicher Optik kann der selbe Bildausschnitt dann etwas versetzt nochmals abgebildet werden. Werden Beide Ausschnitte durch unterschiedliche optische Filter gesendet, so kann man den selben Ausschnitt,gleichzeitig in mehreren Spektralbereichen aufzeichnen, ohne mehrere Kameras verwenden zu müssen.

Phototechnik

Bei Kameras finden sich breite Schlitzblenden mit größerem Abstand (ca. 0,8–1,0 mm) bei Panoramakameras und bei technischen Anwendungen. Sie sind hier auch als Übergang zur elektronischen Zeilenkamera zu sehen. Belichtet wird jeweils ein schlitzförmiger Ausschnitt analog etwa dem Schlitzverschluss, allerdings wird der Film (oder Filmausschnitt durch die Objektivbewegung) während der Aufnahme bewegt.

Weblinks

• Quantitative Betrachtung der Beugung an einer Schlitzblende in der englischen Wikipedia