图1.Michelson 干涉仪的计量线
为了让边缘图案具有更好的可见度,光束经过Michelson干涉仪八个臂的光学路径长度(OPL)必须进行均衡,其误差需要在工作频带相干长度的范围之内。对于一定的Michelson 干涉仪任务而言,经过八个臂的光束的OPL必须将误差均衡在100 nm之内。如果达到了这个条件,就可以称为干涉仪达到了“同相位”。在达到同相位条件之后,就可以使用望远镜进行观测。在聚焦平面的图像集成时间之内,干涉仪的八个臂之间的OPD 必须控制在观测波长范围之内(即OPDij < 10 nm),以便避免边界“跳跃”或是边界模式相位出现较大变化,造成得到的图形出现对比度损失。如果这种情况在观测过程中出现,得到的干涉仪图像就会完全模糊,为了重建目标原始图像所需的必要信息也将丢失。
干涉仪带有激光计量系统,以便测量干涉仪臂之间的光学路径差(绝对差和相对差),从而使用电动延迟线控制光学路径差。控制系统可以对激光干涉仪进行测量,将指令发送到延迟线上。
激光干涉法是至今为止用于测量长距离变化的最佳方法。可以使用多种干涉方法,但是所有方法都是基于干涉原理的:由同一个光源发出的两束或多束光线通过不同长度的路径最终交汇(汇聚)在用于测量光强的探测器上。探测器上的光强是干涉光线(波)的相对相位的函数,他们可以相互增强,也可以相互减弱。在对干涉信号的分析中,可以得出关于不同光束路径差的信息。为了测量光学干涉仪两个臂之间的长度差,最终的方法就是使用Michelson类型的激光干涉仪。激光干涉仪包括两种类型的激光计量:
● 绝对计量系统(由位于葡萄牙里斯本的INETI机构开发),提供了两个干涉仪臂之间光学路径差的实际数值,分辨率较低。
● 相对计量系统(由位于意大利都灵的Alcatel Alenia Space Italia开发),提供了干涉仪臂之间光学路径差的变化(相对于给定初始值的变化),分辨率较高。
两种计量系统都利用光学干涉仪原型进行光学干涉,利用控制系统对延迟线发出指令进行电子学层面的交互。
绝对计量用来支持达到Michelson干涉仪的同相位条件,它是由干涉仪多个臂之间的光学路径达到相干距离范围之内而构成的,因此较高可见度的边缘模式在仪器的聚焦平面上形成。
相对计量提供了对OPL变化的测量,从一个给定的初始值开始(这个数值是在达到同相位操作之后的数值),这个数值被控制系统利通过电动延迟线的精调级用于固定边界图案(OPD 10 nm)。相对计量是基于Michelson 干涉仪计量的,具有纳米级别的分辨率。OPD 干扰需要在对象观测过程中进行补偿,它来自于热学负载或是发生在卫星内部的振动(例如方向控制系统)等造成的卫星结构变化,通过仪器结构,传递至干涉仪镜面。
同相位系统实验室演示器
同相位系统是望远镜设计最为关键的部分。为了测试并且演示同相位系统的概念,即将干涉仪臂之间的OPL 通过一个自由度的延迟线进行均衡,实现了一个实验室演示器。MIT演示器由一个简化的实验室尺寸的光学干涉仪原型组成,实现了与高分辨率卫星望远镜相同的光学配置拓扑。
由于同相位系统概念是要控制望远镜臂之间的OPD变化,同相位系统的实验室演示器带有一条控制延迟线(CDL)能够在(主要)臂上工作,它跟踪另一条(从属)臂的OPL 变化,还带有一条扰动延迟线(DDL)作用在(从属)臂上,和预测的体现在卫星望远镜上的扰动PSD 相似,引入具有相同功率谱密度(PSD)的OPL扰动。实验室演示器需要达到的性能必须与卫星望远镜要求的性能一致。
控制延迟线由两个执行器组成:一个粗调台式电动平移器和一个精调台式压电变换器。扰动线仅由压电变换器组成。粗调器用来从比较大的OPD(例如1 mm)开始达到同相位条件。精调器用来在达到同相位状态之后,控制并保持两个干涉仪臂之间的OPD。