Digitale bildgebende Verfahren: Vorwort

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Einführung

Dieses Buch möchte dem Leser einen ersten Überblick über die vielfältigen Möglichkeiten geben, wie digitale Bilder erzeugt werden können, welche Eigenschaften diese gespeichert haben und wie sie für einen Betrachter wiedergegeben werden können. Die Bedeutung von bildgebenden Verfahren ist ungebrochen. 2015 wurde von der Generalversammlung der Vereinten Nationen als Internationales Jahr des Lichts und der lichtbasierten Technologien ausgerufen. Dies soll auch an die zentrale wissenschaftliche Bedeutung des Lichts erinnern, da durch Licht unser Kosmos besser verstanden, kranke Menschen besser behandelt und neue Kommunikationsmittel erfunden werden können.

Lichtteilchen haben keine Ruhemasse und bewegen sich daher immer mit Lichtgeschwindigkeit. Daraus erwächst das Prinzip vom Welle-Teilchen-Dualismus, da Licht sowohl als elektromagnetische Welle (Lichtwelle) als auch als Korpuskel (Photonen) interpretiert werden kann oder sogar muss. Insofern spielen sowohl Strahlungsaspekte eine Rolle, wie zum Beispiel bei Lichtstrahlen in der geometrischen Optik, als auch klassisch erklärbare Wellenphänomene, wie zum Beispiel die Brechung oder die Polarisation, aber auch quantenmechanische Wellenphänomene, bei denen allen voran die Beugung zu nennen ist.

Die Photographie wurde in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts ausgehend von den ersten Heliographien von  Joseph Nicéphore Niéps (1765–1833) entwickelt und stellte eine revolutionäre Technik dar, weil optische Abbildungen damit dauerhaft gespeichert werden konnten. Der aus den altgriechischen Wörtern "φωτός" ("photós": zu Deutsch "des Lichtes") und γράφειν ("gráphein": zu Deutsch "schreiben" oder "zeichnen") zusammengesetzte Begriff geht auf den Berliner Astronomen  Johann Heinrich Mädler (1794–1874) zurück, der ihn Anfang 1839 als Alternative zum Begriff "Lichtzeichnenkunst" in seinem Beitrag mit dem Titel "Photographie" in der Beilage der überregional erschienene Tageszeitung "Königlich privilegierten Berlinischen Zeitung von Staats- und gelehrten Sachen" erwähnte. Mädler beschrieb dort die beiden damals erfundenen photochemischen Verfahren mit Silbersalzen:

• Die direkt im Auflicht als Unikat registrierte photopositive Daguerreotypie von  Louis Daguerre (1787–1851). Das Bild auf einer mit Silber beschichteten und mit Jod bedampften, spiegelglatt polierten Metallplatte ist stets spiegelverkehrt zum aufgenommenen Objekt.
• Das photonegative Verfahren (fotogenische Zeichnung) von  William Henry Fox Talbot (1800–1877). Hier kann das gewonnene Negativbild anschließend beliebig oft mit Hilfe von Sonnenlicht durch Schattenwurf im Durchlicht auf lichtempfindliches Papier übertragen (Kontaktkopie) danach photochemisch fixiert werden (Schutzverfahren).

Die Photochemie hat sich vom Ende des 19. Jahrhunderts an rasch weiterentwickelt. In der heutigen Zeit ist es jedoch zunehmend üblich, dass Information, die in Form von Licht vorliegt, nicht mehr mit photochemischen Filmmaterial, sondern mit elektronischen Sensoren registriert wird. Dadurch wird die Digitalisierung der Daten und deren informationstechnische Weiterverarbeitung vereinfacht. Gleichermaßen gilt dies für die computergestützte Generierung, die Speicherung, die Nachbearbeitung und die Wiedergabe digitaler Steh- und Bewegtbilder. Digitale Bilder können Information in Form von verschiedenen Helligkeiten, in Form verschiedener Farben oder in einer Kombination von beidem beinhalten, und sie können zwei- oder dreidimensional gestaltet sein. Digitalisierte Information kann frei von Qualitätseinbußen und beliebig oft kopiert werden.

Bei der Aufnahme eines realen Gegenstands (Objekts) kann die entsprechende geometrische Information digitalisiert werden. Fiktive oder nachgebildete Objekte können virtuell durch Computer erzeugt werden. Die Digitalisate können verarbeitet, gespeichert, bearbeitet und als Bilder visuell wiedergegeben werden.

Darüber hinaus ist es möglich, die Prinzipien der Lichtoptik auf die elektromagnetischen Wellenlängenbereiche zu übertragen, die für Menschen unsichtbar sind. So können beispielsweise Mikrowellen oder Infrarotstrahlung zur Bildgebung herangezogen werden, aber genauso ist es möglich, hochenergetische Photonen im Ultraviolett-, im Röntgen- oder sogar im Gammastrahlenbereich dafür zu verwenden. Dies beschränkt sich keineswegs auf medizinische Verfahren, für die sich der Begriff bildgebende Verfahren in besonderem Maße etabliert hat.

Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass auch mit Materiewellen, also zum Beispiel mit Elektronenstrahlen in Elektronenmikroskopen teilchenoptische Abbildungen gemacht werden können, die heute in der Regel ebenfalls digital registriert werden. Elektronen sind Teilchen mit Ruhemasse und können sich deswegen nicht wie Photonen mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, ihnen kann aber dennoch die De-Broglie-Wellenlänge zugeordnet werden, so dass such hierbei der Welle-Teilchen-Dualismus zu beobachten ist.

Eine weitere Klasse von bildgebenden Apparaturen rastern Oberflächen oder Körper, wie zum Beispiel bei der Rastersondenmikroskopie und -spektroskopie (Rasterelektronen-, Rastertunnel-, Rasterkraft- oder Rasternahfeldmikroskope) oder beim Einsatz von Scannern. Hierbei werden die Bilder nicht unmittelbar gewonnen, sondern aus zeitlich und örtlich versetzt gewonnenen digitalisierten Signalen synthetisiert.

Erwartungen an den Leser

Dem Leser wird es nützlich sein, wenn ihm die folgenden Begriffe und Zusammenhänge aus der Optik geläufig sind.

Es gibt mehrere, ganz verschiedenartige Möglichkeiten, elektromagnetische Wellen und somit auch Lichtteilchen zu beeinflussen:

• Emission (spontane (also zufällige) oder stimulierte (also angeregte oder erzwungene) Erzeugung)
• Remission durch Reflexion (Spiegelung, Reflexionsgesetz: Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel) oder Transmission (Hindurchschickung)
• Absorption (Vernichtung von Photonen durch Dissipation oder Extinktion)
• Refraktion (Brechung, Snelliussches Brechungsgesetz) inklusive Dispersion (Verteilung verschiedener Wellenlängen)
• Diffraktion (Beugung an Kanten)
• Diffusion (Streuung an Elementarteilchen, Atomen, Molekülen oder Feinstaub mit und ohne Änderung der Energie)
• Polarisation (lineare, zirkulare oder elliptische Auslenkung)
• Gravitation (Massenanziehung)

Der letzte Punkt stellt einen Sonderfall dar, da die Photonen bei nicht-euklidischer Geometrie des Raumes durch Massen gar nicht unmittelbar beeinflusst beziehungsweise abgelenkt werden, sondern sich ebenfalls geradlinig ausbreiten. Trotz der Tatsache, dass im Universum Gravitationslinseneffekte beobachtet werden können, ist dieser Effekt für diese Veröffentlichung nicht relevant.

Alle anderen der genannten Effekte werden in diesem Wikibook thematisiert. Hierfür ist es sehr hilfreich, die Eigenschaften und Ausprägungen dieser grundlegenden Prinzipien verstanden zu haben. Darüber hinaus werden einfache Gleichungen und Beziehungen, wie der Satz des Pythagoras, die trigonometrischen Funktionen oder der Strahlensatz als bekannt vorausgesetzt.

Das Verhalten der elektromagnetischen Strahlung kann oft rein geometrisch behandelt werden. In manchen Fällen ist es daher nützlich, die elektromagnetische Strahlung als Teilchen zu betrachten, die sich geradlinig durch Raumabschnitte bewegen. In anderen Fällen ist es unerlässlich, auch die wellenförmige Ausbreitung des Lichts in geometrische Schattenräume zu berücksichtigen. Die bewusste Wahl der jeweils besser geeigneten Betrachtungsweise kann die Überlegungen und Schlussfolgerungen oft deutlich vereinfachen, in vielen Fällen ist es jedoch notwendig, beide Ausprägungen der elektromagnetischen Strahlung zu berücksichtigen, um vollständige und korrekte Aussagen machen zu können. Weitere als bekannt vorausgesetzte Begriffe aus der Wellentheorie sind deswegen:

• Interferenz von Wellen (konstruktiv oder destruktiv)
• Elementarwellen und Überlagerung nach dem Huygenssches Prinzip
• Kohärenz

Mit diesem Rüstzeug gewappnet, sollte es jedem Leser möglich sein, den Inhalten der verschiedenen Kapitel zu folgen und gegebenenfalls Anhaltspunkte für weitergehende Recherchen zu finden.

Einzelnachweise

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