Введение
Свет, направленный в одном направлении
Коллимированный луч света или другого электромагнитного излучения имеет параллельные лучи и, следовательно, минимально расходится при распространении. Лазер является типичным примером. Идеально коллимированный луч света, не имеющий расхождения, не рассеивался бы с расстоянием. Однако дифракция препятствует созданию подобного луча. Свет можно приблизительно коллимировать различными способами, например, с помощью коллиматора. Иногда говорят, что идеально коллимированный свет сфокусирован в бесконечности. Таким образом, по мере увеличения расстояния от точечного источника сферические волновые фронты становятся более плоскими и приближаются к плоским волнам, которые идеально коллимированы. Другие формы электромагнитного излучения также могут быть коллимированы. В радиологии рентгеновские лучи коллимируют для уменьшения объема облучаемой ткани пациента и устранения посторонних фотонов, снижающих качество рентгеновского изображения ("затуманивание пленки"). В сцинтиграфии перед детектором используется коллиматор гамма-лучей для регистрации только фотонов, перпендикулярных поверхности. Термин "коллимированный" также может применяться к пучкам частиц – коллимированному пучку частиц, – где обычно используются блоки из материалов высокой плотности (таких как свинец, сплавы висмута и т. д.) для поглощения или блокирования периферических частиц в желаемом направлении вперед, особенно последовательность таких поглощающих коллиматоров. Этот метод коллимации частиц широко используется и применяется во всех ускорителях частиц мира. Дополнительный, менее изученный метод, обеспечивающий тот же эффект коллимации вперед, может использовать стратегическую ядерную поляризацию (магнитную поляризацию ядер), если необходимые реакции предусмотрены в конкретных экспериментальных приложениях.
Этимология
Слово "collimate" происходит от латинского глагола collimare, который возник из-за ошибочного прочтения collineare, означающего "направлять по прямой".
Лазеры
Лазерный свет от газовых или кристаллических лазеров обладает высокой коллимацией, поскольку формируется в оптическом резонаторе между двумя параллельными зеркалами, которые ограничивают распространение света вдоль пути, перпендикулярного поверхностям зеркал. На практике газовые лазеры могут использовать вогнутые зеркала, плоские зеркала или их комбинацию. Дивергенция высококачественных лазерных пучков обычно составляет менее 1 миллирадиана (3,4 угловой минуты), и может быть значительно меньше для пучков большого диаметра. Лазерные диоды излучают менее коллимированный свет из-за малой длины резонатора, поэтому для достижения более высокой коллимации требуется коллимирующая линза.
Синхротронный свет
Синхротронное излучение обладает очень хорошей коллимацией. Оно возникает при отклонении релятивистских электронов (то есть электронов, движущихся со скоростями, близкими к скорости света) по окружности. При релятивистских скоростях электронов, возникающее излучение характеризуется высокой коллимацией, что не наблюдается при меньших скоростях.
Далекие источники
Свет от звёзд (кроме Солнца) достигает Земли практически коллимированным, поскольку звёзды находятся на таком расстоянии, что их угловой размер не поддаётся обнаружению. Однако из-за рефракции и турбулентности в атмосфере Земли звёздный свет достигает поверхности Земли слегка расходящимся, с кажущимся угловым диаметром около 0,4 угловой секунды. Прямые лучи света от Солнца достигают Земли расходящимися на полградуса, что соответствует угловому диаметру Солнца, наблюдаемому с Земли. Во время солнечного затмения свет Солнца становится всё более коллимированным по мере того, как видимая поверхность сужается до тонкого серпа и, в конечном итоге, до небольшой точки, что приводит к появлению чётких теней и полос теней.
Линзы и зеркала
Идеальное параболическое зеркало сфокусирует параллельные лучи в одной точке. Обратно, точечный источник света, расположенный в фокусе параболического зеркала, создаст пучок коллимированного света, формируя коллиматор. Поскольку источник должен быть малым, такая оптическая система не способна генерировать большую оптическую мощность. Сферические зеркала проще в изготовлении, чем параболические, и их часто используют для получения приблизительно коллимированного света. Многие типы линз также могут создавать коллимированный свет из источников, близких к точечным.
Система отображения в симуляторах полета, использующая коллимационный свет
Этот принцип используется в полных тренажерах полетов (FFS), которые оснащены специально разработанными системами для отображения изображения внешней среды "Из окна" (OTW) пилотам в кабине-реплике самолета. В самолетах с боковым расположением пилотских кресел, если изображение OTW проецировалось бы на экран перед пилотами, один пилот видел бы правильную перспективу, а другой – перспективу, в которой некоторые объекты были бы изображены под неправильными углами. Чтобы избежать этого, в системе визуализации тренажера используется коллимированная оптика, обеспечивающая восприятие сцены OTW обоими пилотами как находящейся в дальней точке фокусировки, а не на фокусном расстоянии проекционного экрана. Это достигается за счет оптической системы, позволяющей пилотам видеть изображение в зеркале с вертикальной кривизной, которая обеспечивает обоим пилотам восприятие изображения в дальней точке фокусировки, таким образом, они видят практически одну и ту же сцену OTW без искажений. Поскольку свет, достигающий точки зрения каждого пилота, приходит под разными углами к полю зрения из-за различных проекционных систем, расположенных полукругом над пилотами, вся система отображения не может считаться коллимационным дисплеем, а является системой отображения, использующей коллимированный свет.
Коллимация и деколлимация
"Коллимация" означает, что все оптические элементы прибора расположены на своей расчетной оптической оси. Она также относится к процессу настройки оптического прибора таким образом, чтобы все его элементы находились на этой оси (были выровнены и параллельны). Точная настройка биноклей – это коллимация по трем осям, то есть обе оптические оси, обеспечивающие стереоскопическое зрение, выровнены параллельно оси шарнира, используемой для выбора различных значений межзрачкового расстояния. В отношении телескопа этот термин означает, что оптическая ось каждого оптического компонента должна быть центрирована и параллельна, чтобы из окуляра исходил коллимированный свет. Большинству любительских рефлекторных телескопов требуется повторная коллимация каждые несколько лет для поддержания оптимальной производительности. Это можно сделать простыми визуальными методами, например, взглянув вдоль оптической схемы без окуляра, чтобы убедиться в выравнивании компонентов, с помощью окуляра Чешира или с использованием простого лазерного коллиматора или автоколлиматора. Коллимацию также можно проверить с помощью интерферометра с поперечным сдвигом, который часто используется для проверки лазерной коллимации. "Деколлимация" – это любой механизм или процесс, который приводит к расхождению или сходимости луча с минимально возможным углом расхождения от параллельности. Деколлимация может быть преднамеренной по системным соображениям или может быть вызвана множеством факторов, таких как неоднородности показателя преломления, затенения, рассеяние, отклонение, дифракция, отражение и преломление. Деколлимацию необходимо учитывать при полном анализе многих систем, таких как радиосвязь, радиолокация, гидролокация и оптическая связь.