(fysica) (Fr.: image; Du.: Abbildung; Eng.: image, figure), het verschijnsel dat door een beeldvormend element van een bepaald object een beeld wordt gevormd.
De fysica is voor alles een waarnemende wetenschap. De laatste schakel in het waarnemen is in praktisch alle gevallen het menselijk oog; aangezien dit zintuig in wezen equivalent is met het begrip afbeelding, zou iedere waarneming of meting in termen van afbeeldingen beschreven kunnen worden. Het hierna volgende zal echter beperkt worden tot die gevallen, waarin het waarnemingsproces tot doel heeft de geometrische karakteristieken van een voorwerp vast te leggen in termen van nog nader aan te geven grootheden. Daartoe zullen eerst min of meer conventionele afbeeldingsprocessen worden beschreven, waarmee wordt bedoeld dat het licht, zoals dat voor het oog bruikbaar is, er een hoofdrol in speelt. Vervolgens zal worden aangeduid waar de beperkingen van het licht hun oorsprong vinden: tenslotte worden enkele minder voor de hand liggende afbeeldingsprocessen aangegeven.
Opgemerkt dient te worden dat de processen die zich na het netvlies afspelen, in het algemeen niet meer toegankelijk zijn voor fysische analyse. Sinds enige tijd doet men echter serieuze pogingen om het waarnemingsproces, dat met name in de quantummechanica als volledig verweven wordt beschouwd met datgene wat men wil bestuderen, consequent te analyseren, d.w.z. met inbegrip van de betrokken hersenactiviteiten, die uiteindelijk voor de herkenning en interpretatie verantwoordelijk zijn.
We stellen ons voor dat we met een afbeelding te maken hebben, wanneer er een min of meer eenduidig verband vermoed wordt tussen de plaatsafhankelijke lichtprikkeling op het netvlies en de plaatsafhankelijkheid voor een bepaalde fysische grootheid van het voorwerp, dat we ‘bekijken’. In het algemeen wordt een voorwerp met straling van de soort I ‘bestraald’ en is men geïnteresseerd in straling van de soort I', die ieder punt van het voorwerp verlaat. In de meeste gevallen zal ieder voorwerpspunt isotroop stralen, zodat simpel opvangen van I' op een passend scherm geen structuur zal vertonen, die karakteristiek is voor het object. Iedere bundel die uit een punt vertrekt, moet daarom door een afbeeldend systeem A weer tot een punt worden geconvergeerd. (Op deze regel bestaan enkele uitzonderingen.) Dan is het mogelijk dat het tussenbeeld T een betrouwbaar tussenstation is voor de uiteindelijke afbeelding op het netvlies. De laatste komt alleen tot stand, wanneer de informatie van het tussenbeeld in de vorm van licht het oog bereikt. Daartoe moet soms een omvormer O worden ingeschakeld. Een enkele keer kan het voorwerp niet direct worden bestudeerd; een afdruk kan dan uitkomst brengen.
I en I' zichtbaar licht.
In het geval I = 0 is er sprake van zelflichtende voorwerpen, zoals vlammen, gloeidraden, zon en sterren enz. De desbetreffende voorwerpen hebben meestal een hoge temperatuur, soms geven ze licht af door fosforescentieverschijnselen (zie Aanslaan). De punten (of beter: kleine vlakjes) waaruit het voorwerp samengesteld gedacht kan worden, onderscheiden zich van elkaar door hun verschillende lichtemissie (die zich in het algemeen vanuit ieder punt kegelvormig uitbreidt) wat betreft intensiteit, golflengteverdeling (temperatuur) en soms ook polarisatietoestand (zie Polarisatie). De informatie die in de eerstgenoemde twee grootheden vertegenwoordigd is, kan door het oog direct worden benut. Het oog maakt geen onderscheid tussen verschillende polarisatietoestanden. Tenslotte bevat het licht ook nog informatie in de vorm van de onderlinge faseverschillen, waarmee de voorwerpspunten stralen. Bij zelflichtende bronnen kan hiervan vrijwel nooit gebruik worden gemaakt, omdat de punten sterk incoherent zijn. Blok A is in dit geval vaak een systeem dat per voorwerpspunt de uitgezonden straling convergeert, ofwel tot een parallelle bundel waardoor directe waarneming mogelijk wordt (dus T in het oneindige), ofwel tot een punt van een reëel beeld dat opgevangen kan worden op een scherm of vastgelegd met behulp van een lichtgevoelig element, zoals een fotografische plaat.
De convergerende werking wordt meestal tot stand gebracht met behulp van lenzen of spiegels; het kan echter ook zonder deze door gebruik te maken van zoneplaten (zie Fresnel: zoneplaat), terwijl in de camera obscura zelfs volledig afgezien wordt van convergerende elementen. Door in het afbeeldende systeem kleurfilters aan te brengen (die kunnen variëren van gekleurde glasplaatjes die een brede golflengteband doorlaten, tot interferentiefilters, rooster- en prismasystemen, die een zeer kleine bandbreedte kunnen hebben) kan de golflengte-informatie beter worden benut. Zo maakt men in de astronomie foto’s van de zon in verschillende kleuren, waardoor een temperatuurschaal wordt geïntroduceerd, die in het algemeen samenhangt met een diepteschaal. Andere filters (polaroïds en nicols) bieden de mogelijkheid om de verschillende voorwerpspunten (ook nog) te onderscheiden wat de polarisatietoestand betreft van het licht dat ze uitzenden. Deze situatie is bijv. in de astronomie van belang, wanneer de lichtbronnen zich in een sterk magneetveld bevinden, zoals o.a. in zonnevlammen het geval is (tevens zie Zeemaneffect).
In het afbeeldingsproces speelt de tijd vaak een belangrijke rol. Er is een minimale hoeveelheid licht nodig om op een lichtgevoelig element (netvlies, fotografische plaat) een beeld op te roepen. Zo komen afbeeldingen in de astronomie soms tot stand na een belichtingstijd van meer dan een nacht. Wanneer daarentegen voorwerpen zeer snel van karakter veranderen zijn korte belichtingstijden nodig. Door gebruik te maken van zgn. kerrcelsluiters (zie Kerr-effect) is men tegenwoordig in staat belichtingstijden in de orde van 10−10 s toe te passen. Door de introductie van beeldversterkers heeft men de lichtgevoeligheid een factor 106 kunnen opvoeren.
Is I ≠ 0 dan worden afbeeldingen beschouwd van voorwerpen, die geen straling uitzenden in het zichtbare deel van het spectrum en zichtbaar gemaakt worden door ze met licht te bestralen. Voor de dingen om ons heen gebeurt dat via de zon en via kunstmatige lichtbronnen. Verlichting door de zon is moeilijk te controleren en verandert al naar gelang de atmosferische omstandigheden en het uur van de dag (rood- en blauwzweem in de fotografie). Kunstmatige verlichting leent zich daar beter voor en voegt een aantal nieuwe mogelijkheden toe aan de afbeeldingsprocessen, die in het voorgaande zijn genoemd. Niet-doorzichtige voorwerpen kunnen worden afgebeeld door het gereflecteerde licht te benutten. De reflectiecoëfficiënt is in het algemeen een functie van de geaardheid van het reflecterende oppervlak, zoals ruwheid, kristalstructuur en verontreinigingstoestand. De golflengteverdeling van opvallend en gereflecteerd licht is vaak niet gelijk, evenmin als de polarisatietoestand (tevens zie Brewster; Ellipsometrie). Epidiascopen en metaalmicroscopen werken met teruggekaatst licht.
Bij transparante voorwerpen maakt men meestal gebruik van doorvallend licht. Het voorwerp drukt er zijn stempel op in de vorm van een intensiteitspatroon, een golflengtepatroon en als het voorwerp optisch actief is kan ook in de polarisatietoestand informatie worden opgeslagen (die er dan uitgehaald moet worden met componenten als polaroïdfilters en ¼λ-plaatjes). Zo kent men naast de normale microscopen polarisatiemicroscopen, die bijv. in de mineralogie veel gebruikt worden. Onder bepaalde omstandigheden kan men ook de faseverschillen die ontstaan, wanneer het doorvallende licht verschillende optische weglengten ontmoet, als informatiebron benutten. Dit gebeurt bijv. in de fasecontrastmicroscoop.
Een volledig nieuwe manier van afbeelden is mogelijk gemaakt door de ontwikkeling van de laser. Ook hier zijn het faserelaties die bepalend zijn. Wanneer men een voorwerp met een laserbundel belicht en men laat het gereflecteerde licht interfereren met de vlakke golven die door een tweede laser worden uitgezonden, dan zal een fotografische plaat een interferentiepatroon vastleggen, dat in gecodeerde vorm de volledige informatie van de golffronten bevat die door het voorwerp werden uitgezonden (amplitude, fase en de meestal unieke golflengte van de gebruikte laser). Wanneer het voorwerp wordt verwijderd en men laat een laserbundel op de fotografische plaat vallen, dan worden alle op de plaat ‘vastgevroren' golffronten afkomstig van het voorwerp als het ware weer in beweging gezet, waardoor het oog een uiterst realistisch beeld van het voorwerp kan ontwikkelen. Opmerkelijk is nog dat in dit gehele proces geen lenzen gebruikt worden (waardoor uiteraard ook geen lensfouten de beeldvorming kunnen verstoren). Het op de fotografische plaat vastgelegde interferentiepatroon noemt men hologram, de afbeeldingstechniek wordt met holografie aangeduid.
Beperkingen van licht als beeldvormend medium.
Er zijn een aantal redenen, waarom men langs andere weg tracht een afbeelding van een voorwerp te produceren. De belangrijkste is wellicht dat de mogelijkheden details te onderscheiden ten nauwste samenhangen met de golflengte van het gebruikte licht. Hoe korter de golflengte hoe groter het oplossend vermogen (tevens zie Abbe: theorie van het microscoop). Een perfecte ƒ/8-lens beeldt een punt af als een airyschijf met een doorsnede van 8 μm (zie Airypatroon). Een verhoging van het oplossend vermogen moet dus gezocht worden in het toepassen van straling met een kortere golflengte. Voor elektromagnetische straling wordt het echter al heel snel moeilijk lenzen te construeren, die de straling nog doorlaten. Glas absorbeert sterk in het ultraviolet. Lenzen van kwarts of lithiumfluoride brengen nog uitkomst in het nabije ultraviolet. Voor kortere golflengten zijn wat de elektromagnetische straling betreft geen afbeeldende systemen bekend.
Uitkomst biedt de ontdekking die in het begin van deze eeuw is gedaan dat ook deeltjes, zoals elektronen, atomen enz., zich als golven voortplanten. Het blijkt, dat aan een deeltje met massa m en snelheid v een golflengte λ kan worden toegekend waarvoor geldt: λ = h/mv. λ noemt men debrogliegolflengte, h is de constante van Planck. Zo gedraagt een bundel elektronen met een energie van 100 eV zich alsof men met een vlakke golf te maken heeft met een golflengte van ongeveer 0,1 nm (licht in de orde van 500 nm; tevens zie Quantummechanica). De golflengte is dus omgekeerd evenredig met de impuls en is voor ‘zware’ deeltjes, zoals atomen en ionen, reeds bij lage snelheden zeer klein. Dit golfkarakter der materie zou overigens nauwelijks kunnen worden uitgebuit wanneer er geen methoden bestonden om analoog aan het optische geval afbeeldingen te construeren. Men heeft ontdekt dat in geschikt gekozen elektrische en/of magnetische velden vrijwel alle optische systemen verwezenlijkt kunnen worden, maar dan voor bundels geladen deeltjes. Zo bestaan er elektronen- (en ionen)lenzen, -spiegels, -prisma’s enz. (zie Elektronenoptica). Omdat het oog niet reageert op geladen deeltjes, heeft men beeldomvormers nodig, die het ‘deeltjesbeeld’ omzetten in een lichtgevend beeld. Een bekend voorbeeld is het fosforescerende scherm, zoals dat o.a. in oscilloscopen en TV-apparaten wordt toegepast.
Een tweede reden om andere media dan zichtbaar licht voor afbeeldingen te gebruiken is dat de te onderzoeken objecten geen straling in het zichtbaar deel van het spectrum uitzenden en daartoe ook niet gedwongen kunnen worden. Een voorbeeld van een dergelijke situatie wordt aangetroffen in de radioastronomie. Bepaalde objecten in het heelal zenden bij voorkeur elektromagnetische straling uit in de vorm van zgn. radiogolven (o.a. met een golflengte van 210 mm). Men kan dan niet veel anders dan trachten uit deze straling informatie te halen omtrent de structuur der objecten (zie Radioastronomie). Als laatste reden kan nog genoemd worden dat door het benutten van straling met een karakter dat verschilt van dat van zichtbaar licht, volledige nieuwe informatie verkregen kan worden uit de langs die weg tot stand gebrachte afbeeldingen.
I en I' anders dan zichtbaar licht.
Is I = 0 dan straalt het voorwerp zelf. In het geval van elektromagnetische straling is reeds het voorbeeld van de radioastronomie genoemd. Met radiotelescopen is men in staat het heelal te peilen, wat tot afbeeldingen leidt die aanzienlijk kunnen verschillen van het optische beeld. Zeer heldere radiobronnen blijken optisch nauwelijks waarneembaar, en omgekeerd. Een ander voorbeeld is het benutten van de infrarode straling (warmtestraling) die in principe door alle voorwerpen wordt uitgezonden. Naast nieuwe informatie geeft deze straling de mogelijkheid om voorwerpen af te beelden, die in het zichtbare gebied niet meer waarneembaar zijn ten gevolge van lichtverstrooiing (tevens zie Absorptie) of in nachtelijke omstandigheden. Met glasoptiek kan men nog tot λ = 2 μm werken. Voor grotere λ gebruikt men kwarts (tot 4 μm), steenzout (tot 16 μm) en sylvien (tot 23 μm). Voor het verre infrarood kan men geen fotografische platen meer benutten en meet men de warmte-energie direct. Ook bronnen die ultraviolet licht uitzenden, zijn in beperkte mate toegankelijk voor afbeelding. Zo is kwarts doorzichtig voor golflengten tussen 0,19 μm en 4 μm; voor kleinere waarden van λ kan calciumfluoride (tot 0,125 μm) en lithiumfluoride (tot 0,105 μm) worden toegepast.
Hete voorwerpen kunnen naast elektromagnetische straling ook elektronen uitzenden. Zo kan men door toepassen van zgn. elektronenlenzen een beeld vormen van een emitterende kathode, waarbij inhomogeniteiten in de emissie-eigenschappen van het kathodeoppervlak op een scherm zichtbaar kunnen worden gemaakt. Men kan de elektronenemissie ook induceren bij koude voorwerpen, door extreem hoge elektrische veldsterkten aan te brengen. Hierop berust het principe van de veldemissiemicroscoop.
Belangrijke voorbeelden uit de categorie I ≠ 0 worden aangetroffen in die gevallen, waarin de bestraling door elektronen plaats vindt. In principe bevatten deze dezelfde mogelijkheden om informatie op aan te brengen als elektromagnetische straling. In de meeste toepassingen gebruikt men echter van de karakteristieken: intensiteit, golflengte (= energie), polarisatietoestand (= spintoestand) en fase, alleen de eerstgenoemde twee. Vergroting van het oplossend vermogen ten gevolge van de korte golflengte vindt een directe toepassing in elektronenmicroscopen. De haalbare oplossende vermogens worden hierbij volledig bepaald door de afbeeldingsfouten in de elektronenoptiek.
De belangrijkste representanten zijn de transmissie-elektronenmicroscoop en de scanning elektronenmicroscoop. Men kan thans oplossende vermogens beter dan één nanometer bereiken (zie Elektronenmicroscoop). Door met een zeer fijne elektronenbundel een oppervlak af te tasten en daarbij met een augeranalysator (zie Augerelektronenspectroscopie) de sterkte van een bepaalde augerpiek, die de aanwezigheid van een bepaald element op het oppervlak verraadt, te bepalen en de intensiteit van een synchroon scannende elektronenbundel over een oscilloscoopscherm te laten regelen, is men in staat het oppervlak af te beelden ‘in’ het desbetreffende element. Op dit principe berust nog een aantal analoge afbeeldings technieken.
Ionen kunnen met dezelfde lenzen worden verwerkt als elektronen. Door een fijne ionenbundel een oppervlak te laten aftasten, zullen op de momentane trefplaats zowel secundaire elektronen als ionen worden vrijgemaakt en men kan al scannend beide categorieën weer gebruiken om hun eigen specifieke afbeelding tot stand te brengen. Zo kan men de secundaire ionen een massafilter laten passeren en voor verschillende massa’s een beeld van het voorwerp construeren (deze techniek heeft overigens een duidelijk destructief karakter). De uiterst kleine debrogliegolflengte van ionen maakt het in principe mogelijk zeer hoge oplossende vermogens te bereiken, hoewel de onzekerheidsrelaties van Heisenberg (zie Quantummechanica) een duidelijke ondergrens aangeven. Een spectaculaire toepassing van ionen als afbeeldend medium treft men in de veldionenmicroscoop. Dit was de eerste techniek, waarmee men in staat was de afzonderlijke atomen van een uiterst scherpe wolfraampunt zichtbaar te maken.
Tenslotte een voorbeeld, waarin ook de fase-eigenschappen der deeltjesgolven expliciet gebruikt worden; deze techniek is zeer recent en wordt aangeduid met elektronengolfholografie. Het basisidee is analoog aan de optische holografie. Men bestraalt een gasvormig voorwerp met een elektronenbundel met zeer precieze energie, in het onderhavige geval 40 keV (dus uiterst monochromatisch, zoals bij de optische laser). De elektronen die verstrooien aan de atomaire elektronenwolken, interfereren met de elektronen, die aan de atoomkernen verstrooien (de referentiebundel). Ieder atoom vormt zo zijn eigen hologram, dat verder voor een éénatomig gas voor elk atoom hetzelfde is. Alle hologrammen vallen verder exact over elkaar heen. Dit elektronenhologram wordt nu uitgelezen met een optisch lasersysteem. Het belangrijkste voordeel van deze techniek boven de conventionele elektronenmicroscopie is, dat het eerste stadium van de beeldvorming zich voltrekt zonder lenzen, zodat deze het oplossend vermogen niet kunnen beïnvloeden en waardoor het uiteindelijk een factor 100 verbeterd kon worden tot ongeveer 0,01 nm. Op deze wijze zijn de eerste directe beelden geproduceerd van de inwendige structuur van het atoom, de elektronenwolken.