Пространственная фильтрация. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

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^-i^f, 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).

Литература по пространственной фильтрации

Знаете ли Вы, что, как ни тужатся релятивисты, CMB (космическое микроволновое излучение) - прямое доказательство существования эфира, системы абсолютного отсчета в космосе, и, следовательно, опровержение Пуанкаре-эйнштейновского релятивизма, утверждающего, что все ИСО равноправны, а эфира нет. Это фоновое излучение пространства имеет свою абсолютную систему отсчета, а значит никакого релятивизма быть не может. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.