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Warum hilft ausgerechnet Milch gegen optische Bildstörungen?
Streuendes Gewebe und optische Fehler können laserbasierte Aufnahmen mit körnigen Mustern und Verzerrungen überlagern. Ein neues Verfahren verändert diese Störungen absichtlich von Messung zu Messung und mittelt anschließend viele Aufnahmen, sodass wiederkehrende Bildinformationen stärker hervortreten. Im Labortest wurden dadurch Linien eines Testmusters hinter 250 Mikrometer dickem Mäusehirngewebe wieder erkennbar, allerdings auf Kosten der Schärfe.
Warschau (Polen). Bei hochauflösender optischer Bildgebung ist Streuung normalerweise ein Problem, weil sich Licht auf vielen Wegen ausbreitet und dadurch feine Strukturen schwerer zu erkennen sind. Besonders bei kohärentem Laserlicht entsteht zusätzlich Speckle, ein körniges Interferenzmuster, während optische Aberrationen räumlich unterschiedliche Unschärfen und Verzerrungen hervorrufen können.
Auch die Optische Kohärenztomografie (OCT) ist für solche Störungen anfällig, obwohl sie reflektiertes Licht über Interferenz nach seiner Laufzeit zuordnet und daraus hochauflösende Schnittbilder erzeugt. Gerade die für dieses Verfahren notwendige Kohärenz des Lichts begünstigt hartnäckige Speckle-Muster, wenn sich Objekt und optischer Aufbau zwischen den einzelnen Messungen kaum verändern.
Forscher des International Centre for Translational Eye Research (ICTER) um Dawid Borycki haben nun untersucht, ob sich dieser Nachteil durch kontrollierte Veränderungen des Lichtwegs abschwächen lässt. Dazu platzierten sie eine ruhende Probe in einem dynamischen Streumedium, dessen bewegte Partikel von Aufnahme zu Aufnahme leicht unterschiedliche Winkel- und Phasenverteilungen des Lichts erzeugen.
Jede Aufnahme enthält dadurch dieselbe feste Objektstruktur, aber ein etwas anderes Muster aus Speckle und Verzerrungen. Bei der Kombination vieler voneinander unabhängiger Bilder können sich die zufälligen Anteile deshalb gegenseitig abschwächen. Ein mathematisches Modell und Simulationen mit jeweils 100 Realisierungen zeigten zugleich den unvermeidbaren Preis dieses Prinzips, denn stärkere Winkeldurchmischung unterdrückt Störungen, verbreitert aber auch feine Bildkanten.
Die Forscher verglichen zudem eine einfache Betragsmittelung mit einer komplexen Mittelung, die zusätzlich die Phase des Lichtfelds berücksichtigt und deshalb eine stabile Phasenbeziehung zwischen den Messungen benötigt. In den Simulationen bewahrte die komplexe Variante bei Defokus und Astigmatismus mehr Kontrast, weil sie störende kohärente Anteile wirksamer unterdrückte. Die Betragsmittelung blieb dafür gegenüber Phasenschwankungen robuster.
Für den praktischen Test nutzte das Team eine OCT-Anordnung und eine genormte USAF-Auflösungstafel mit immer feineren Linien, während gewöhnliche Milch als dynamisches Streumedium diente. Ihre bewegten mikroskopischen Bestandteile erzeugten von Messung zu Messung neue Streumuster, weshalb die Forscher jeweils 100 dreidimensionale Bildvolumina aufzeichneten und anschließend miteinander kombinierten.
Bei freier Sicht auf die Testtafel brachte die zusätzliche Streuung keinen Vorteil. Der Michelson-Kontrast sank von 0,87 bei OCT allein auf 0,81 beziehungsweise 0,84 nach den beiden Mittelungsverfahren. Zugleich verbreiterte sich eine gemessene Bildkante von 4,6 Mikrometern auf etwa 7,5 bis 7,7 Mikrometer, wodurch das Verfahren bewusst einen Teil der räumlichen Schärfe gegen geringere Empfindlichkeit gegenüber Störungen eintauscht.
Entscheidend war deshalb der Test unter schwierigeren Bedingungen, bei dem die Forscher zunächst eine transparente Klebefolie über die Auflösungstafel legten, die den Lichtweg unregelmäßig verzerrte. Ohne dynamisches Medium war das Bild von körnigen und verzerrten Strukturen geprägt. Mit Milch ließ die Kombination von 100 Aufnahmen die Linien deutlich besser erkennen, ohne jede einzelne Verzerrung zuvor vermessen und korrigieren zu müssen.
Anschließend platzierten die Wissenschaftler eine 250 Mikrometer dicke Scheibe aus Mäusehirngewebe über der Tafel, die das Licht st