אופרטור המערכת הוא:
formula_98 .
נרשום את R בצורתו המפורשת:
formula_99 ונציב בביטוי עבור אופרטור המערכת:
formula_100 .
ניתן כעת לאחד את שני הQ-ים העוקבים ולבטלם. נקבל את הביטוי:
formula_101 .
מכאן ניתן ללמוד כי לאחר שהאור עובר בעדשה ומתקדם למישור המוקד הוא מקבל איבר פאזה ריבועית (שאינו בא לידי ביטוי בעוצמה) ועובר כיווץ/הגדלה, אך הדבר החשוב ביותר הוא שהאור עובר התמרת פורייה. משום כך קוראים למישור המוקד של העדשה בשם "מישור פורייה". כפי שנראה בהמשך, עובדת היותה של מערכת זו כרכיב שמייצר טרנספורם פורייה של הגל הנכנס תהיה שימושית מאוד לצורכי עיבוד נתונים אנלוגי, למשל עבור סינון מרחבי.
הדמיה על ידי עדשה בודדת.
נתונה המערכת הבאה: עדשה בעלת מרחק מוקד f מדמה אובייקט המרוחק ממנה מרחק u לתמונה אשר נמצאת במרחק v.
לפי תנאי הדימות מתקיים
formula_102 .
אופרטור המערכת יהיה:
formula_103 .
נרשום את האופרטורים R בצורתם המפורשת ונציב בביטוי עבור אופרטור המערכת לקבלת:
formula_104 .
נשתמש ביחסי האופרטורים בין שני Q-ים עוקבים ובתנאי הדימות עבור שלושת הQ-ים שבמרכז:
formula_105. איבר זה מתבטל.
אופרטור המערכת הוא כעת:
formula_106 .
ניתן להזיז את ה-F הראשון מקום אחד ימינה לפי היחס
formula_107 ולאחר מכן, להשתמש ביחס בין שתי התמרות פורייה עוקבות
formula_108 לקבלת הביטוי:
formula_109.
את שלושת ה
formula_110-ים העוקבים ניתן לצמצם ל-
formula_111 ולהחליף מקום בין formula_110 וQ לקבלת:
formula_113 .
לבסוף, ניתן לאחד את שני הQ-ים לקבלת התוצאה הסופית:
formula_114.
מסקנה: מערכת זו, בסה"כ מוסיפה איבר פאזה ריבועית, משנה את קנה-המידה של התמונה (מגדילה או מקטינה) והופכת את התמונה. איבר הפאזה הריבועית לא בא לידי ביטוי בפונקציית העוצמה (העצמה תלויה רק בריבוע ערך המוחלט).
עיבוד אותות אנלוגי.
טרנפורם פורייה הפועל על פונקציית כניסה מפרק אותה לרכיביה הספקטרליים השונים, כשלכל רכיב כזה יש משקל שונה. כפי שראינו, עדשה יכולה למפות גל נכנס לטרנספורם פורייה שלו במישור המוקד שלה ("מישור פורייה"). משום כך, ניתן לעשות מניפולציות שונות על רכיבי פורייה של פונקציית הכניסה במישור פורייה. למשל, ניתן להנמיך את חלקם, או אפילו לחסום לחלוטין.
למשל, נחשוב על רשת שתי וערב של קווים ישרים: במישור פורייה של עדשה, נקבל את טרנספורם פורייה שלו. במקרה זה - סריג ריבועי של נקודות. על ידי הצבת צמצם אופקי נוכל לחסום את כל התדרים השייכים לרכיבי פורייה בעלי מחזוריות בכיוון y ולאפשר רק לחלק מרכיבי פורייה בעלי מחזוריות בכיוון x לעבור. כעת נציב עדשה נוספת. עדשה זו תמפה את התמונה במישור פורייה לטרנספורם פורייה שלה במישור המוקד של העדשה החדשה. כלומר, מפעילים את התמרת פורייה פעמיים וחוזרים לתמונה המקורית, אך הפעם ללא הרכיבים בעלי המחזוריות בציר y, אלא רק בציר x. כך ניתן לקבל את קווי האורך בלבד. באופן דומה, על ידי הוספת צמצם אורכי במישור פורייה, נוכל לסנן את קווי האורך ולקבל את קווי הרוחב בלבד.
הטכניקה אינה מוגבלת רק לתמונות מחזוריות. ניתן לסנן באמצעותה רעשים, לחסום תדרים גבוהים (הממוקמים רחוק מהראשית במישור פורייה) או תדרים נמוכים (הממוקמים קרוב לראשית), או להעביר תחום תדרים סופי. לשם כך עלינו רק לחסום פיזית נקודות במישור פורייה.
מערכות אופטיות בעלות מפתח סופי.
עד עתה, כל הרכיבים האופטיים נחשבו כרכיבים אינסופיים בשטחם. כאשר לרכיבים יש גודל סופי, למשל עבור עדשה בעלת מפתח מעגלי בקוטר d, גודלם הסופי משפיע על התמונה ביציאה כפי שנראה בדוגמה הבאה.
כאמור, נתבונן בגל הנפלט מאובייקט, הנמצא מרחק u משמאל לעדשה סופית בעלת מוקד f ומפתח סופי המיוצג על ידי הפונקציה
formula_115, אשר ממופה לתמונה במישור במרחק v מימין לעדשה. אופרטור המערכת במקרה זה ניתן לביטוי ע"י
formula_116 . כאשר לפי תנאי הדימות מתקיים
formula_102 .
לאחר הצבה של הביטוי המפורש של R, תנאי הדימות וקצת אלגברת אופרטורים נקבל:
formula_118 .
לפי חוקי התמרת פורייה ומשפט הקונבולוציה מתקבל הביטוי הסופי:
formula_119 .
כאשר
formula_120
היא התמרת פורייה של פונקציית המפתח p ו-
formula_121 הוא סימן הקונבולוציה.
ניתן לראות כי פעולת המערכת נותנת פונקציית יציאה שמורכבת מקונבולוציה של התמרת פורייה של פונקציית המפתח, שבמקרה של עדשה עגולה היא פונקציית בסל, עם פונקציית הכניסה לאחר שעברה כיווץ/הרחבה. ישנם גם איברי פאזה ריבועית שאותם ניתן לבטל בקלות על ידי הוספת עדשות בעלות אורך מוקד של u ו-v במישור הכניסה ובמישור היציאה בהתאמה. אם העדשה הייתה אינסופית אז פונקציית המפתח שלה הייתה מישור אינסופי, שהתמרת הפורייה שלו היא פונקציית דלתא. הקונבולוציה של פונקציית דלתא עם פונקציית הכניסה היא פונקציית הכניסה בעצמה. זו התוצאה שקיבלנו כשחישבנו את פעולת עדשה אינסופית.
הארה לא קוהרנטית.
עד כה טיפלנו במערכות אופטיות ליניאריות המוארות בתאורה קוהרנטית.
קיבלנו שעבור מערכות אלו הפלט הוא קונבולוציה של הקלט עם פונקציית התגובה להלם של המערכת
formula_122 ושהעוצמה ביציאה היא
formula_123.
מערכת המוארת בתאורה לא קוהרנטית תהיה ליניארית בעוצמה ולא באמפליטודה כמו במקרה הקוהרנטי. העוצמה במוצא תהיה קונבולוציה של עוצמת התגובה להם עם עוצמת פונקציית הכניסה:
formula_124 .
לשם נוחות, נהוג להפעיל את משפט הקונבולוציה כדי לעבוד עם מכפלה במקום קונבולוציה:
formula_125 .
עוד נהוג לנרמל את כל הפונציות לפי ערכן בראשית:
formula_126
formula_127
formula_128
ולרשום את הנוסחה הנ"ל בצורה:
formula_129 .
הפוקציה
formula_130
נקראת "פונקציית התמסורת הלא קוהרנטית" או "פונקציית תמסורת אופטית" של המערכת (Optical Tranfer Function - OTF) ויש לה משמעות גאומטרית:
עבור שני מפתחים שאחד נמצא במיקום
formula_131
והשני נמצא במקום
formula_132, כאשר v הוא המרחק למישור המוקד, פונקציית התמסורת האופטית מייצגת את היחס בין שטח החפיפה של שני המפתחים ובין השטח הכולל של שניהם.
כושר הפרדה - הגבלת רזולוציה אופטית.
כאמור, סופיותו וצורתו של המפתח של המערכת האופטית משפיעים על התמונה ביציאה בכך שהתמונה היא קונבולוציה של התמרת פורייה של המפתח עם פונקציית הכניסה. עובדה זו, יוצרת בעיה של הבחנה בין שתי נקודות שונות במישור הכניסה. כשהעדשה הייתה אינסופית היא הייתה יכולה למפות שתי נקודות (פונקציות דלתא) שונות במישור הכניסה לשתי נקודות (פונקציות דלתא) שונות במישור היציאה. כלומר, הייתה לצופה המתבונן בתמונה אפשרות להבחין בין שתי נקודות שונות ולייחס אותן לשתי נקודות שונות במישור הכניסה. לשם הדוגמה, נחשוב על שני כוכבים רחוקים. מערכת אופטית בעלת מפתח אינסופי הייתה יכולה למפות את שניהם לנקודות שונות על גלאי, כך שצופה היה יכול להבין כי אלו הם שני כוכבים שונים. כאשר למערכת מפתח סופי, שתי נקודות במישור הכניסה ימופו לשתי פונקציות סופיות (למשל, במקרה של מפתח עגול - לשתי פונקציות Airy). משום שלפונקציות אלה יש רוחב, אם הן יהיו "קרובות מדי" הן יכולות להראות כמו פונקציה אחת "מרוחה" על פני השטח והצופה לא יוכל להבדיל אם זהו כתם או שתי נקודות מובדלות. אם נישאר עם דוגמת הכוכבים, אז צופה לא יוכל להבחין כי אלו שני כוכבים נפרדים ויטעה לחשוב כי זהו גוף אחד גדול.
בעיה זו נקראת בעיית הרזולוציה האופטית. הפיזיקאי זוכה פרס נובל לורד ריילי קבע קריטריון לקביעת רזולוציה אופטית של מערכת אופטית, הנקרא קריטריון ריילי. ריילי קבע כי שני מקורות נקודתיים הם "מופרדים" על ידי מערכת אופטית בעלת מפתח עגול בעל קוטר D כאשר המרחק בין שני שיאי תבניות Airy של שני המקורות שווה למרחק של האפס הראשון של פונקציית Airy ממרכזה.
דוגמה 1: הפרדה בין שני מקורות נקודתיים - הארה קוהרנטית.
נתונה מערכת אופטית בעלת מפתח עגול ברדיוס R ושני מקורות נקודתיים וקוהרנטיים המרוחקים במרחק
formula_133 זה מזה.
מפתח המערכת מבוטא על ידי הביטוי הבא:
formula_134
והתמרת הפורייה שלה היא הפונקציה:
formula_135 כש-
formula_136 .
התפלגות האמפילטודה בכניסה תבוטא כך:
formula_137 .
התמונה המתקבלת במישור פורייה של המערכת נתונה ע"י:
formula_138
כש- v הוא מרחק העדשה ממישור התמונה, u הוא המרחק בין האובייקט והעדשה ו-M היא ההגדלה הליניארית
formula_139 .
חישוב הקונבולוציה נותן:
formula_140
formula_141 הוא פולינום בסל מסדר ראשון.
(מן הגרף המצורף, ניתן לראות כי האפס הראשון של פונקציית בסל מסדר 1 הוא בערך
formula_142 .
העוצמה ביציאת מהמערכת תהיה אם כן-
formula_143
כאשר עובדים בתאורה קוהרנטית ישנה אפשרות להגביר את כושר ההפרדה. אם ניתן להוסיף איבר פאזה שרירותי לאחר המקורות, אז פונקציית העצמה תהיה:
formula_144 .
כפי שנראה בקרוב, במקרה של הפרש פאזה
formula_145 ניתן להגביר את כושר ההפרדה של המערכת - השדה במרכז תמיד מתאפס ולכן תמיד ניתן יהיה להבחין בין שני המקורות.
דוגמה 2: הפרדה בין שני מקורות נקודתיים - הארה לא-קוהרנטית.
בהינתן אות המערכת ואותה הבעיה כמו בדוגמה הקודמת אך הפעם - עם תאורה לא-קוהרנטית, פונקציית העצמה ביציאה מהמערכת היא סכום ריבועי תבניות איירי:
formula_146
השוואה בין כושר ההפרדה של מערכת עם תאורה קוהרנטית לעומת תאורה לא-קוהרנטית.