Schlitzblende

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Typische Ausführung eines rechteckigen optischen Spalts (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 Selektieren erwünschter Lichtspektralanteile, zum Ausblenden unerwünschten Lichts oder zur Strahlformung verwendet.

Technischer Aufbau

Schlitzblenden werden als Lichtdurchlass in einem ebenen Träger realisiert. Im Labor wurde früher eine beispielsweise mit Ruß geschwärzte Glasplatte (ggf. in einem Diarahmen) verwendet, auf der mit einem spitzen Gegenstand (Skalpell, Messer) die Schwärzung in der gewünschten Durchlassform (Linie, Rechteck, ...) abgetragen wurde. Heute wird die Blende meist aus Metallplatten, die oft zum Spalt hin keilförmig verdünnt werden (wie z. B. die Schneide einer Schere), als einstellbarer Luftspalt (siehe Bild) ausgeführt. Um Reflexionen an den Kanten der Blenden zu vermeiden und um eine gut definierte Position der Spaltblende im Raum zu ermöglichen, werden die Blendenblätter meist als dünne Bleche (maximal wenige Millimeter dick) ausgeführt.

Zur Vermeidung von Streulicht und Blendlicht sind die nicht lichtdurchlässigen Teile meist mattschwarz gehalten, gelegentlich auch aufgeraut.

Durch ein zweites Paar Metallplatten lässt sich oft zusätzlich die Höhe der Spaltöffnung einstellen. Wie bei der Spaltbreite geschieht das in der Regel von Hand per Stellschrauben, da das höchstens einmal je Messreihe verstellt wird. Eine kontinuierliche Verstellung, die einen Servoantrieb nötig machen würde, kommt selten vor.

Intensitätsverteilung hinter Schlitzblenden

Allgemeines

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.

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 betrachtet werden. Die Stärke und Sichtbarkeit dieser Effekte hängt wesentlich von der Fresnel-Zahl N_F ab, die das Verhältnis aus Breite D des Strahls, Wellenlänge λ des eingestrahlten Lichts und Abstand d des Beobachters vom Spalt beschreibt:

$N_F=\frac{(D/2)^2}{\lambda\cdot d}$

Die Intensitätsverteilung lässt sich mit dem Beugungsintegral berechnen. Dabei wird angenommen, dass sich von jedem Punkt des Spaltes aus eine Kugelwelle ausbreitet. Das Beugungsintegral berechnet dann die Summe über alle diese Kugelwellen. Die folgende Abbildung zeigt (numerische) Ergebnisse für verschiedene Abstände d (Fresnel-Zahlen N_F) des Beobachters vom Spalt:^[1]

• 

  Feldverteilung im Nahfeld und Fernfeld eines optischen Spalts, der von einer ebenen Welle beleuchtet wird.

Nahfeld

Nahfeld-Beugungsbild eines Einzelspalts

Für große Fresnel-Zahlen gibt die Intensitätsverteilung die in Dunkelgrau angedeutete Spaltform gut wieder. Die Schwankungen auf dem Plateau der Intensitätsverteilung rühren von der Beugung an den Spaltkanten her.^[2] In diesem Regime (Geometrische Optik) sind Beugungseffekte meist vernachlässigbar. Je nach Breite des Spalts kann dieses Regime auch noch in großer Entfernung vom Spalt auftreten. So ist z. B. bei grünem Licht ($\lambda=500\;\mathrm{nm}$) für einen $D=10\;\mathrm{mm}$ breiten Spalt N_F > 10 noch für den Abstand $d=5\;\mathrm{m}$ gegeben.

Fernfeld

Beugungsbild im Fernfeld einer Rechteckblende (oben vergrößert dargestellt)

Fernfeld-Beugungsbild eines Einzelspalts mit Erläuterungen zur Herleitung der Beugungsminima und -maxima

Wellenfronten hinter einer Öffnung, die viermal so breit ist, wie die Wellenlänge. Grau bedeutet verschwindende Amplitude.

Für schmale Spalte mit einer Spaltbreite D in der Nähe der Wellenlänge (z. B. D = 10·λ = 5 µm) liegt dagegen das Fernfeldbild (hier N_F < 0,01) schon sehr nah hinter dem Spalt (im Beispiel etwa d = 1,25 mm), und praktisch wird dann ausschließlich dieses beobachtet. Die herausstechendste Eigenschaft dieses Fernfeldes ist seine starke Verbreiterung gegenüber der Spaltbreite, was in obiger Abbildung durch die zwei unterschiedlich skalierten Graphen für N_F = 0,025 angedeutet ist. Das Beugungsbild im Fernfeld wird über die Fraunhofer-Näherung für das Beugungsintegral (siehe dort) berechnet. Dieses ergibt das Beugungsbild als Fourier-Transformation der Form des Blendendurchlasses. Ein Beispiel ist rechts dargestellt.

Etwas einfacher als das volle zweidimensionale Problem ist die Beschränkung auf die Betrachtung entlang einer Achse, die parallel zu einer der Spaltkanten liegt. Die Lichtintensität ergibt sich dann näherungsweise zu:^[3]

$I(x) \propto \left(\frac{\sin(\pi D x/(\lambda d))}{\pi D x/(\lambda d)}\right)^2 = \operatorname{sinc}^2 \left(\frac{\pi D x}{\lambda d}\right)$

Diese Verteilung wird auch als Spaltfunktion (siehe auch Sinc-Funktion) bezeichnet und ist im unteren Bild rechts dargestellt. Die Eigenschaften (Minima und Maxima) dieser eindimensionalen Intensitätsverteilung lassen sich auch anschaulich herleiten. Sie haben für schnelle Abschätzungen und als lehrreiche Anwendung der Prinzipien der Beugung an einer Blende sehr große Bedeutung:

Dazu folgt man dem Huygens-Prinzip und nimmt an, dass von jedem Punkt der Blende eine Kugelwelle ausgeht. Diese Wellen breiten sich unabhängig aus und interferieren beim Beobachter. Der Beobachter sehe nun den Spalt unter einem Winkel φ. Man betrachtet dann jeweils zwei Teilstrahlen, deren Ausgangspunkte um die Hälfte der Spaltbreite D entfernt sind. Unterscheiden sich die Wege, die zwei solche Teilstrahlen zurücklegen müssen, um ein ungeradzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge λ/2, so löschen sie sich gegenseitig aus (destruktive Interferenz). Diese Auslöschungsbedingung lautet also (mit dem Gangunterschied s):

$\sin\varphi_{\mathrm{min},n}=\frac{2s}{D}=\underbrace{(2n+1)\cdot\frac{\lambda}{2}}_{=:s\ =\ \pm\lambda/2,\; \pm3\lambda/2, \dots}\cdot\frac{2}{D} = (2n+1)\cdot\frac{\lambda}{D},\quad n \in \Z$

Dasselbe gilt dann für zwei Quellen, die etwas neben der Spaltkante und etwas neben der Spaltmitte liegen usw. Also findet sich zu jeder Quelle im Spalt eine zweite Quelle, mit der diese destruktiv interferiert. Somit wird das Licht aller Quellen ausgelöscht und man misst unter dem Winkel φ kein Licht, hat also ein Intensitätsminimum gefunden. Man spricht jeweils vom Minimum n-ter Ordnung.

Ist der Gangunterschied dagegen ein ganzzahliges Vielfaches der vollen Wellenlänge, so ist die Interferenz konstruktiv und man beobachtet ein Maximum (mit demselben Argument, wie oben wieder für alle Punkte des Spalts). Diese Bedingung lautet:

$\sin\varphi_{\mathrm{max},n}=\frac{2s}{D}=\underbrace{n\lambda}_{=:s\ =\ 0,\; \pm\lambda,\; \pm2\lambda, \dots}\cdot\frac{2}{D},\quad n \in \Z.$

Die Intensität dieser Maxima fällt für große Winkel schnell ab. Das Maximum nullter Ordnung ist bei φ=0, also auf der optischen Achse, zu finden.

Besonders die Bedingung für die Minima kann herangezogen werden, um die Verbreiterung der Intensitätsverteilung hinter einem Spalt abzuschätzen. Wie schon oben gezeigt, ist die Fernfeldverteilung sehr viel breiter als der Spalt selbst. Der Öffnungswinkel kann als α: = 2φ_min,0 definiert werden und ergibt sich z. B. für einen Spalt mit einer Breite von 10 Wellenlängen (D=10λ, z. B. 5μm für grünes Licht) zu etwa α=11,5°. Der Lichtstrahl verbreitert sich also sehr schnell hinter dem Spalt. Für einen Spalt von 1000 Wellenlängen (z. B. 0,5 mm für grünes Licht) Breite ergibt sich dagegen nur α=0,1° und man muss den Spalt in sehr großem Abstand beobachten, um eine merkliche Verbreiterung zu beobachten.

Mit Hilfe dieser Formeln kann z. B. die Wellenlänge des auf einen bekannten Spalt fallenden Lichts gemessen werden, indem man den Winkelabstand der Minima n-ter Ordnung misst. Ebenso kann umgekehrt bei bekannter Wellenlänge auf die Breite des Spalts geschlossen werden.

Breite und schmale Spalte

Mit der oft getroffenen Einteilung alleine aufgrund des Verhältnisses der Spaltbreite D zur Wellenlänge λ in breite Spalte (bei denen das Nahfeld dominiert, Beugungserscheinungen also vernachlässigt werden können) und schmale Spalte (bei denen das Fernfeld dominiert) muss vorsichtig umgegangen werden. Diese Unterscheidung ist nämlich, wie oben dargestellt wurde, nicht von der Spaltbreite, sondern von der Fresnelzahl N_F abhängig.

In der Praxis führt diese Ungenauigkeit jedoch selten zu Problemen, da an einem breiten Spalt fast nur das Nahfeld beobachtet wird, während das Fernfeld erst in einem großen Abstand vom Spalt erkennbar wäre. An einem schmalen Spalt hingegen ist das Nahfeld nur in außergewöhnlich geringem Abstand vom Spalt erkennbar, in der Praxis beobachtet man meist das Fernfeld.

Anwendung

Monochromatoren und Spektrometer

Wellenlängenselektion durch eine Schlitzblende in einem Monochromator: Einfallendes Licht A wird durch ein Gitter D in die Spektralfarben aufgespalten (Dispersion). Das Gitter D wird so gedreht, dass nur Licht der gewünschten Farbe durch den Ausgangsspalt F fällt.

In der Physik werden 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 Beugungsgitter oder ein Prisma wird zunächst verwendet, um einfallendes Licht spektral aufzuspalten.^[4] Dann wird ein Spektralbereich des Lichts selektiert, indem die anderen Bereiche durch eine Schlitzblende ausgeblendet werden. In Monochromatoren kann so Licht aus einem wählbaren und definierten Spektralbereich erzeugt werden. In Spektrometern wird so eine bestimmte Wellenlänge ausgewählt, mit der die folgende Messung durchgeführt wird. Durch Verschieben des Spaltes oder besser Drehen des dispersiven Elements kann dann das gesamte Spektrum nach und nach aufgezeichnet werden. In der optischen Versuchsapparatur dient die Schlitzblende zudem als sekundäre Lichtquelle für den weiteren Strahlengang.

Ebenso wird die Schlitzblende als sekundäre Lichtquelle auch direkt vor dem dispersiven Element eingesetzt, um auf dessen Eingangsseite für eine definierte Anordnung und Form der Lichtquelle zu sorgen. Dazu wird die Blende von einer breitbandigen (weißen) Lichtquelle bestrahlt, die beispielsweise durch eine Hohlspiegeloptik grob auf den Spalt fokussiert wird.

Strahlformung

Schlitzblenden können allgemeiner auch zur Strahlformung eingesetzt werden. Dabei werden sie von hinten großflächig beleuchtet und formen ein rechteckiges Strahlbündel einstellbaren Ausmaßes. 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. bei Single Plane Illumination Microscopy (SPIM) Anwendung. Hier formt ein einstellbarer Spalt ein rechteckiges Strahlenbündel, das dann mit Hilfe einer Zylinderlinse zu einem Lichtblatt fokussiert wird.^[5]

Oft ist die Breite solcher Blenden von Hand einstellbar. Bei Monochromator-Anwendungen wird die Breite 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-Rausch-Verhältnis zu erzielen). Auch die Höhe des ausgenutzten Spaltmaßes ist oft einstellbar ausgeführt, wieder zur Sicherstellung definierter Verhältnisse beim Strahlbündel.

Bei der Strahlformung sind Spalte meist 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 derselbe Bildausschnitt dann etwas versetzt nochmals abgebildet werden. Werden beide Ausschnitte durch unterschiedliche optische Filter gesendet, so kann man denselben Ausschnitt gleichzeitig in mehreren Spektralbereichen aufzeichnen, ohne mehrere Kameras verwenden zu müssen.^[6]

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.

Einzelnachweise

1. ↑ Fundamentals of photonics, S. 132–133, Wiley-Interscience 22. Februar 2007, ISBN 978-0-471-35832-9 (Zugriff am 13. August 2011)
2. ↑ http://www.mike-willis.com/Tutorial/diffraction.htm
3. ↑ Christian Gerthsen: Gerthsen Physik, S. 523–524, Springer 19. August 2003, ISBN 978-3-540-02622-8 (Zugriff am 13. August 2011)
4. ↑ Wolfgang Demtröder: Laserspektroskopie: Grundlagen und Techniken, S. 68–69, Springer 1. August 2007, ISBN 978-3-540-33792-8 (Zugriff am 13. August 2011)
5. ↑ K. Greger, J. Swoger, E. H. Stelzer: Basic building units and properties of a fluorescence single plane illumination microscope. In: The Review of scientific instruments Band 78, Nummer 2, Februar 2007, S. 023705, ISSN 0034-6748. PMID 17578115.
6. ↑ K. Kinosita, H. Itoh, S. Ishiwata, K. Hirano, T. Nishizaka, T. Hayakawa: Dual-view microscopy with a single camera: real-time imaging of molecular orientations and calcium. In: The Journal of cell biology Band 115, Nummer 1, Oktober 1991, S. 67–73, ISSN 0021-9525. PMID 1918140. PMC 228992.