Можно ли из JS передать обработанное изображение в $_FILES?
нет. в FILES попадают только инпуты файлов формы

но как вы отправляете данные их нужно ловить через
$rawData = file_get_contents("php://input");
посмотрите примеры как через js ajax отправить в php://input
Скорее всего  var data = new FormData();  не нужен будет
Да, можно.

var data = new FormData();
// вариант 1 (если blob был получен из canvas.toBlob(), то он уже будет иметь правильный mime-type)
data.append("file_field_blob", blob, "filename1.jpg");
// вариант 2
data.append("file_field_file_1", new File([blob], "(будет-проигнорировано).jpg", {type:'image/jpeg'}), "filename2.jpg");
// или так
data.append("file_field_file_2", new File([blob], "filename3.jpg", {type:'image/jpeg'}));
var request = new XMLHttpRequest();
request.onload = function() {
	if (this.status >= 200 && this.status < 400){
		document.write(this.response);
	}
};
request.open("POST", "phpinfo.php");
request.send(data);
Результат:
$_SERVER['HTTP_CONTENT_TYPE'] = multipart/form-data; boundary=--...
$_FILES['file_field_blob'] = Array (
    [name] => filename1.jpg
    [type] => image/jpeg
    [tmp_name] => C:\...\php....tmp
    [error] => 0
    [size] => 46196
)
$_FILES['file_field_file_1'] = Array (
    [name] => filename2.jpg
    [type] => image/jpeg
    [tmp_name] => C:\...\php....tmp
    [error] => 0
    [size] => 46196
)
$_FILES['file_field_file_2'] = Array (
    [name] => filename3.jpg
    [type] => image/jpeg
    [tmp_name] => C:\...\php....tmp
    [error] => 0
    [size] => 46196
)
new File() - https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Web/API/F...
FormData - https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Web/API/F...

Upd:
Не используйте readAsDataURL! Вместо него надо использовать FileReader.readAsArrayBuffer().
А если нужна ссылка, например для  то нужно создавать её через URL.createObjectURL (и после использования удалять через URL.revokeObjectURL())