Пространственная фильтрация - воздействие на структуру потока излучения с целью придания желаемых свойств (напр., малой
расходимости) либо обработки переносимой этим потоком информации (см. Оптическая
обработка информации). В оптич., ИК- и ближнем УФ-диапазонах используются
фокусирующие элементы для создания пространственных фильтров, к-рые осуществляют
эфф. и разнообразное управление пространственным спектром излучения. В рентг.
и др. КВ-диапазонах фокусирующие линзы и зеркала отсутствуют, для выделения
узкого коллими-рованного пучка в этих диапазонах применяются наборы последовательно
установленных экранов с расположенными на одной линии отверстиями в них.
Чаще всего П. ф. сводится к преобразованию фурье-спектра
двумерного распределения поля по сечению светового пучка. Кроме разложения волны
в фурье-спектр применяются и иные виды разложений (напр., с помощью преобразования
Френеля), но значительно реже.
Фурье-фильтрация используется во многих традиц.
методах исследования объектов, непосредств. наблюдение к-рых по тем или иным
причинам невозможно или затруднено. Стандартная схема оптич. систем с фурье-фильтрацией
приведена на рис. Близкий к параллельному пучок света от лазера либо от иного
малого источника света 1, помещённого в фокальной плоскости коллимирующей
линзы 2, проходит через исследуемый объект 3 и попадает в фурье-фильтр,
состоящий из двух положительных софокусных линз 4 и 6 и расположенного
в их общей фокальной плоскости фазово-ампли-тудного транспаранта 5. В
фокальной плоскости линзы 4 формируется фурье-образ распределения поля
перед
Схема пространственной фильтрации: 1 -
источник света; 2 - коллимирующая линза; 3- исследуемый объект;
4 и 6 - софокусные линзы; 5 - транспарант; 7 - плоскость изображений
объекта.
этой линзой (см. Матричные методы в оптике).
Транспарант осуществляет необходимое воздействие на спектр, линза 6 -
обратное преобразование Фурье. Перевёрнутое изображение объекта находится в
плоскости 7 на расстоянии 4f от него, где f - фокусное расстояние
линз 4, 6 (для простоты считаем их идентичными).
Если объект является самосветящимся (плазма,
продукты взрыва) и его зондаж осуществляется с помощью излучения источника 1,
то для уменьшения засветки изображения собств. светом объекта используют транспарант
в виде непрозрачного экрана с отверстием на оси, пропускающим весь поток зондирующего
излучения. Для наблюдения мелких рассеивающих свет частиц и оптич. неоднородностей
в прозрачных средах используют т. н. теневые методы, при к-рых перекрывают центр.
часть сечения фокальной плоскости. В результате до системы регистрации доходит
лишь рассеянный свет и распределение освещённости в плоскости 7 соответствует
картине распределения неоднородностей (источников светорассеяния) в плоскости
объекта.
Намного большая чувствительность к малым фазовым
возмущениям достигается с помощью метода фазового контраста (метода Цернике).
Прозрачный объект, являющийся источником возмущений, освещается идеальной плоской
волной; после его прохождения распределение комплексной амплитуды волны приобретает
вид
где f
- зависящие от поперечных координат фазовые
отклонения, к-рые и подлежат регистрации. Транспарант представляет собой прозрачную
пластинку с таким утолщением (либо выемкой) в малой при-осевой зоне, что между
светом, проходящим через эту зону и через остальную часть сечения, создаётся
разность хода l/4.
При малых фазовых отклонениях f величина
1+if;
первому члену разложения соответствует плоская волна (с и=const), фокусируемая
линзой в центр. часть транспаранта, второму - рассеянный свет, проходящий мимо
центр. зоны. Введение фазового сдвига между этими компонентами приводит к тому,
что после фильтра 
if = 1 - f, |u2|
(1
- f)2
1
- 2f. T. о., фазовые искажения превращаются в вариации интенсивности,
причём в отличие от теневых методов реакция здесь является линейной.
Если, оставив транспарант там же, поместить в
плоскость 7 плоское зеркало, свет на обратном пути будет подвергаться аналогичному
преобразованию и при подходе к объектной плоскости окажется, что и
1
+
if=1-if
e-if, т. е. реализуется обращение волнового фронта.
П. f. применяется также для улучшения
качества изображений, распознавания образов, осуществления их сортировки и т.
п. Напр., используя транспарант в виде непрозрачного экрана с щелью, можно избавиться
от полос на изображении, вызванных строчной развёрткой; частично или полностью
подавив низкие пространственные частоты, можно осуществить "оконтури-вание"
изображений. Реализуемы фильтры, резко снижающие дефекты изображения, вызванные
расфокусировкой при фотографировании; фильтры, отмечающие яркими точками в плоскости
изображений местоположение к--л. заданной буквы в служащем объектом напечатанном
тексте, и т. д. Следует, однако, иметь в виду, что распознавание образов резко
затрудняется, если неизвестны заранее масштабы и ориентировка изображений соответствующих
объектов.
При высококогерентных источниках света успешно
используются эфф. фильтры самого разного назначения, изготовленные на основе
методов голографии (см. Голо-графическое распознавание образов). Можно
создать фильтры, воздействующие и на амплитуду, и на фазу отд. фурье-компонент
с участием голограмм ,осуществляющих лишь амплитудную модуляцию падающего
на них света (метод Люгта).
Реально производимая П. ф. нередко заменяется эквивалентной ей матем. обработкой результатов измерений световых полей (при необходимости - с воссозданием рассчитанных откорректиров. изображений).
Ю. А. Ананьев
|
|
 |
