§ 6. Проблема синтеза, когерентное освещение

До сих пор мы рассматривали оптические системы, в которых используется некогерентное освещение. В таких системах усредненный по времени квадрат электрического вектора складывается лииейно от точки к точке в плоскости изображения, т. е. отсутствует интерференция. Поэтому подобные системы всегда ведут себя как низкочастотные фильтры пространственных частот. Чтобы оптические фильтры были столь же разнообразными, как и электрические, необходимо обеспечить возможность интерференции. При этом нужно учитывать, что интерференция не всегда лишь искажает изображение, но может быть использована и для улучшения его качества. Короче говоря, нужно иметь возможность воздействовать на амплитудное и фазовое распределение точечного изображения. Как показали Марешаль и Крое [17] и О’Нейл [18], это возможно при использовании когерентного освещения в плоскости объекта. В схеме фиг. 6.8 преобразование Фурье для структуры прозрачного объекта производится тогда, когда свет проходит от плоскости объекта к плоскости фильтра. В соответствии с принципом Аббе фурье-составляющие структуры объекта в результате действия второй линзовой системы рекомбинируют, образуя изображение. Необходимо иметь в виду, что в этой схеме оптическая система, расположенная слева от объекта, используется просто для когерентного освещения плоскости объекта. Можно считать, что изображение в такой системе

(см. скан)

Фиг. 6.8.

возникает в результате двух последовательных преобразований Фурье. Но оно всегда оказывается несовершенным, так как очень мелкие детали в структуре объекта дают спектр Фурье, который не попадает в апертуру линзы. Важно отметить, что, поскольку спектр Фурье объекта «развертывается» в плоскости фильтра, можно изменять спектр, из которого составляется изображение, вставляя соответствующие маски. Наиболее известной иллюстрацией этого эффекта является, по-видимому, метод фазового контраста, при котором вводится сдвиг фазы между прямым и дифрагированным светом, и тем самым при наблюдении под микроскопом выявляются небольшие фазовые изменения в образцах, которые никак иначе нельзя увидеть.

Нетрудно продемонстрировать особенности такой системы как фильтра в теории связи. На фиг. 6.9 показан эффект, возникающий при введении небольшого поглощающего диска в плоскости фильтра. При этом излучение фона (постоянная составляющая) ослабляется по отношению к дифрагированному свету (переменная составляющая) и в результате контраст в изображении эталонной миры увеличивается. На фиг. 6.10 показаны малоконтрастпый тест с периодически изменяющейся прозрачностью и тест с оптическими «шумами», которые оба были помещены в плоскости объекта. Затем был специально изготовлен «гребенчатый фильтр Дирака», представляющий собой непрозрачную маску с иголочными проколами в точках, соответствующих расположению составляющих спектра Фурье малоконтрастной решетки. На полученном в результате изображении виден эффект блокирования двумерного спектра «шумов» (могут быть приведены также другие примеры). Существуют методы создания выравнивающих фильтров, сглаживающих фильтров, фильтров для ослабления зернистости, фильтров, подчеркивающих края изображения, и т. д. Разработан и ряд оптических приборов [19], основанных на этом принципе.

Фиг. 6.9.

Фиг. 6.10.

Фиг. 6.11.

Во многих случаях те или иные операции легче осуществлять с помощью оптических фильтров, а не их электрических аналогов. Марешаль [5] и его сотрудники показали, каковы возможности восстановления деталей на фотографиях низкого качества при точном управлении амплитудой и фазой фильтрующей маски. В принципе вся методика, разработанная в теории электрических цепей, может быть перенесена в оптику. Упрощение же в оптике следует из того, что спектр естественным образом разделяется в результате самого процесса дифракции.