Представление об оптической системе как фильтре пространственных частот

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРНОЙ ДИАГНОСТИКИ.

Вводные замечания.

Как уже указывалось выше, задача лазерной диагностики ― извлечение информации о биообъекте, полученной в результате взаимодействия с ним лазерного излучения. Поскольку мы заинтересованы в том, чтобы эта информация характеризовала состояние объекта до взаимодействия, необходимо, чтобы взаимодействие было неразрушающим и вообще как можно более слабым. Но нулевое взаимодействие означает и нулевую информацию. Следовательно, мы вплотную встречаемся с необходимостью оптимизации взаимодействия ― оно должно быть достаточно сильным, чтобы обеспечить получение необходимой информации, и в то же время достаточно слабым, чтобы не вызвать существенного изменения состояния биообъекта.

Лазерное излучение наилучшим образом соответствует этим требованиям.

Во-первых, оптический диапазон, как мы знаем, включает в себя все основные частоты возбуждения биомолекул. Более короткие волны разрушают связи в биомолекулах, более длинные ― ничего не возбуждают.

Во-вторых, уникальные свойства лазерного излучения, прежде всего пространственная и временная когерентность, позволяют предельно избирательно воздействовать на объект, а, значит, задавать природе корректно поставленные вопросы.

В сущности, совокупность задач лазерной диагностики обозначает проблему построения когерентной оптики биосред. Эта проблема на сегодня только обозначается, и еерешение ― задача будущего. Но уже сегодня с определенностью можно сказать, что, в отличие от классической оптики и даже оптики когерентного излучения, получившей свое развитие благодаря появлению лазеров, когерентная оптика биосред должна развиваться синхронно ― как в линейной, так и в нелинейной областях. Одно без другого не держится. Отсутствие такой «синхронной концепции» заставляет констатировать, что на сегодня пока что когерентной оптики биосред не существует.

Именно в этом состоит главная причина того, что безграничные возможности лазерной диагностики не вызывали сомнений с самого начала медицинских применений лазеров, но спустя 40 лет реализация этих возможностей ничтожна и далеко уступает лечебным (хирургическим и терапевтическим) применениям. Сегодня мы вправе говорить об обозначившихся тенденциях, но не более. И это при всем том, что достижения когерентной оптики уже нашли свое применение в медицине в виде ряда уникальных приборов.

Если попытаться сформулировать обозначившиеся тенденции в наиболее общем виде, то это, прежде всего, анализ рассеянного биообъектом лазерного излучения. В линейном приближении это излучение имеет ту же частоту (длину волны), что и падающее. В нелинейном ― существенны отличия в спектре рассеянного излучения по сравнению с падающим. Следует при этом различать нелинейные преобразования рассеянного излучения и нелинейные явления в биосреде, происходящие под действием падающего излучения. При всем том, что от последних практически невозможно отделаться (в отличие от традиционных оптических сред), мы в рамках данного курса их рассматривать пока не будем. Пока ― это значит, что необходимого для систематического изложения в рамках учебного плана научного материала по этой части недостаточно. Но это никоим образом не значит, что мы умаляем важность учета нелинейных явлений в биосреде. Напротив, именно эта важность требует, чтобы о них говорилось в специальном курсе, где достижения неотделимы от проблем. Постановка такого курса ― дело ближайшего будущего.

Сформулируем в обобщенном виде решаемые сегодня задачи когерентной оптики биосред. Если говорить о прямой задаче (по аналогии с когерентной оптикой вообще), то это задача нахождения амплитуды и фазы рассеянного излучения при условии заданных характеристик падающего излучения и ― в какой-то приемлемой модели ― характеристик рассеивающей среды. Исходя из прямой задачи, можно немедленно поставить обратную ― по известным характеристикам падающего и рассеянного электромагнитных полей определить оптические характеристики рассеивающей среды (а по ним ― жизненно важные диагностические параметры биообъекта).

Любые диагностические приборы или комплексы приборов решают одну из этих задач в рамках биотехнической системы. Конкретный путь решения указанных задач включает в себя управление параметрами падающего излучения, разработку методов извлечения информации из рассеянного излучения, построение и анализ оптических изображений, запись и обработку информации. В настоящем разделе нашли отражение методы когерентной оптики, включающие элементы теории случайных полей, заимствованные из статистической радиофизики. Без сомнения, на исчерпывающую полноту изложение данное пособие претендовать не может. Однако обозначение наиболее важных тенденций в когерентной оптике биосред является нашей главной целью.

Представление об оптической системе как фильтре пространственных частот

Рассмотрение проблем лазерной диагностики начнем с вопросов, на первый взгляд далеких от медицины и биологии. Именно, будем рассматривать прохождение электромагнитной волны через обобщенную оптическую систему, т.е. объект, изменяющий как энергетические, так и фазовые соотношения в первичной волне. Уместно называть такую систему фильтром пространственных частот (ФПЧ).

Чтобы дать описание работы ФПЧ, используем аналогию с фильтром временных частот (ФВЧ), хорошо знакомым вам по анализу радиосигналов.

Напомним: временной фильтр ― это система, преобразующая входной сигнал в выходной , так что импульсная функция описывает отклик системы на единичный импульс на входе (рис. 24.1).