Wissenschaftler der Universit?t Paderborn ver?ffentlichen Studie in Fachmagazin
Wer schon mal in dunklen R?umen 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 st?rt, beeintr?chtigt 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 Universit?t Paderborn sind dem Problem auf den Grund gegangen und haben anhand von Statistiken untersucht, wie man diese Ph?nomene am besten beschreiben kann. Die Ergebnisse, die jetzt im zum Nature-Portfolio geh?renden Fachmagazin ?Scientific Reports“ ver?ffentlicht worden sind, k?nnten 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 k?nnen“, erkl?rt Christian Zietlow aus der Paderborner Arbeitsgruppe ?Nanostrukturierung-Nanoanalytik-Photonische Materialien“. Das Team untersucht regelm??ig 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 m?chte, ist an kurze Strahldauern gebunden. Das ist wichtig, weil die Materialsch?digung die Ergebnisse ganz massiv ver?ndert und die Messungen unbrauchbar macht. Und hier sto?en wir wieder auf den Kern des Problems, das Rauschen“, erkl?rt Zietlow.
Kurze Strahldauern sind allerdings für Wissenschaftler*innen das, was in der Hobbyfotografie dunkle R?ume sind: ein Problem, das zu Ungenauigkeiten führt. Doch es gibt Abhilfe, denn laut Zietlow verl?uft das Rauschen auf Basis messbarer Gesetzm??igkeiten. ?Das Wissen um diese Statistik l?sst sich nutzen, um das Rauschen aus den Bildern zu entfernen. Damit das aber funktionieren kann, muss man diese Rauschstatistik verstehen und erfassen k?nnen.“ Hier setzt die aktuelle Studie der Paderborner Wissenschaftler an. Zietlow und Arbeitsgruppenleiter Prof. Dr. J?rg Linder zeigen, wie die verschiedenen physikalischen Effekte in und Eigenschaften von CCD-Kameras sich auf die Rauschstatistik auswirken. Die beiden Physiker erkl?ren in dem Fachbeitrag, wie sich die wichtigen Rauschparameter pr?zise vermessen lassen. Aus dem Verhalten k?nnen sie Rückschlüsse auf sogenannte Nichtlinearit?ten des Detektors ziehen, die sich dann korrigieren lassen. Zietlow: ?Diese Nichtlinearit?ten sorgen beispielsweise dafür, dass helle Bereiche der Messungen in ihrer Intensit?t gegenüber den dunkleren verzerrt sind. Für pr?zise Messungen kann das ein gro?es Problem sein, da Verh?ltnisse ohne dieses Wissen falsch abgesch?tzt werden würden.“
Fundierte Kenntnisse über das Rauschen einer Messung sind nicht nur entscheidend für die Bewertung ihrer Qualit?t und Aussagekraft, sondern erm?glichen auch verbesserte Nachbearbeitungsmethoden. Die Arbeit kann Zietlow zufolge dazu beitragen, dass Messergebnisse auf CCD-Kameras künftig deutlich besser interpretiert werden k?nnen und l?stiges 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 – k?nnen damit deutlich bessere Analyseergebnisse aus dem TEM erzielen“, h?lt der Wissenschaftler fest.
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