Wissenschaftler der Universität Paderborn veröffentlichen Studie in Fachmagazin
Wer schon mal in dunklen Räumen Fotos mit dem Handy gemacht hat, kennt das Problem: Die Bilder werden krisselig. In der Wissenschaft ist die Rede vom sogenannten Rauschen. Was Hobbyfotograf*innen stört, beeinträchtigt auch Forscher*innen bei der Arbeit. Anstelle von Fotos rauschen hier allerdings die Messdaten – sie verlieren an Aussagekraft. Das gilt auch für spezielle, hochentwickelte CCD-Kameras (engl. für „charge-coupled device“), die in medizinischen Anwendungen, der Astronomie oder der Transmissionselektronenmikroskopie zum Einsatz kommen. Wissenschaftler der Universität Paderborn sind dem Problem auf den Grund gegangen und haben anhand von Statistiken untersucht, wie man diese Phänomene am besten beschreiben kann. Die Ergebnisse, die jetzt im zum Nature-Portfolio gehörenden Fachmagazin „Scientific Reports“ veröffentlicht worden sind, könnten letztendlich zur Rauschreduktion in Bereichen wie der Biologie, der Chemie oder der Medizin beitragen.
„Wir haben die Rauschstatistik von Detektoren detailliert untersucht und Methoden geschaffen, mit denen wir das Rauschverhalten ermitteln können“, erklärt Christian Zietlow aus der Paderborner Arbeitsgruppe „Nanostrukturierung-Nanoanalytik-Photonische Materialien“. Das Team untersucht regelmäßig kleinste Partikel und Strukturen auf ihre physikalischen Eigenschaften im Transmissionselektronenmikroskop (TEM). Dafür werden Bilder mit stark beschleunigten Elektronen anstatt mit Licht aufgenommen. „Allerdings gibt es viele Materialien, wie zum Beispiel Polymere oder biologische Strukturen, die sehr empfindlich auf Elektronenbeschuss reagieren und schnell Schaden nehmen. Wer sich solche Materialien im TEM anschauen möchte, ist an kurze Strahldauern gebunden. Das ist wichtig, weil die Materialschädigung die Ergebnisse ganz massiv verändert und die Messungen unbrauchbar macht. Und hier stoßen wir wieder auf den Kern des Problems, das Rauschen“, erklärt Zietlow.
Kurze Strahldauern sind allerdings für Wissenschaftler*innen das, was in der Hobbyfotografie dunkle Räume sind: ein Problem, das zu Ungenauigkeiten führt. Doch es gibt Abhilfe, denn laut Zietlow verläuft das Rauschen auf Basis messbarer Gesetzmäßigkeiten. „Das Wissen um diese Statistik lässt sich nutzen, um das Rauschen aus den Bildern zu entfernen. Damit das aber funktionieren kann, muss man diese Rauschstatistik verstehen und erfassen können.“ Hier setzt die aktuelle Studie der Paderborner Wissenschaftler an. Zietlow und Arbeitsgruppenleiter Prof. Dr. Jörg Linder zeigen, wie die verschiedenen physikalischen Effekte in und Eigenschaften von CCD-Kameras sich auf die Rauschstatistik auswirken. Die beiden Physiker erklären in dem Fachbeitrag, wie sich die wichtigen Rauschparameter präzise vermessen lassen. Aus dem Verhalten können sie Rückschlüsse auf sogenannte Nichtlinearitäten des Detektors ziehen, die sich dann korrigieren lassen. Zietlow: „Diese Nichtlinearitäten sorgen beispielsweise dafür, dass helle Bereiche der Messungen in ihrer Intensität gegenüber den dunkleren verzerrt sind. Für präzise Messungen kann das ein großes Problem sein, da Verhältnisse ohne dieses Wissen falsch abgeschätzt werden würden.“
Fundierte Kenntnisse über das Rauschen einer Messung sind nicht nur entscheidend für die Bewertung ihrer Qualität und Aussagekraft, sondern ermöglichen auch verbesserte Nachbearbeitungsmethoden. Die Arbeit kann Zietlow zufolge dazu beitragen, dass Messergebnisse auf CCD-Kameras künftig deutlich besser interpretiert werden können und lästiges Rauschen herausgerechnet werden kann. „Nicht nur für uns in Paderborn sind diese Ergebnisse wichtig, auch Forschungsgruppen aus aller Welt – Physiker*innen, Chemiker*innen, Biolog*innen, Mediziner*innen sowie Ingenieur*innen – können damit deutlich bessere Analyseergebnisse aus dem TEM erzielen“, hält der Wissenschaftler fest.
Der Artikel ist online aufrufbar.
