3. Résultats

3.1. Contraste des franges d'objets étendus

Le programme d'acquisition des franges étant fonctionnel (applicatif sous Windows écrit en C++ avec interface graphique évoluée malgré les contraintes de l'asservissement temps réel, cf. Fig. 3.1), nous pouvons facilement balayer la platine Micro-controle ou les piézoélectriques (leur course maximum est de 15 µm) pour matérialiser les franges. Étant donné la technique de détection employée - les diodes du cryostat sont optimisées pour une détection synchrone à 300 Hz - l'électronique d'amplification des diodes ne laisse pas passer le continu qui est la source de bruit la plus importante (le gain possible sur la détection synchrone peut ainsi être beaucoup plus élevé et, en conséquence, le gain de l'ensemble de la boucle d'asservissement - et sa rapidité). La mesure simple de l'amplitude des franges ne peut donc se faire avec les diodes du cryostat qu'en intégrant les cycles de modulation à 300 Hz ou en utilisant, uniquement pour cette mesure du flux continu (mesure de contraste), une modulation physique du faisceau à 300 Hz.

Dans le schéma général (cf. Fig. 2.1), nous indiquons la présence d'une diode simple pour la mesure d'intensité ('Diode for Control of the Flux Level') qui sert à matérialiser directement les franges par leurs variations d'intensité (cette diode dispose d'un écran de contrôle dans l'applicatif, cf. Fig. 3.1, la 'Diode DC'). Elle est aussi dans un petit cryostat avec une électronique d'amplification spécifique mais qui laisse passer le continu.

Les mesures permettent de visualiser les courbes de cohérence (diode DC) ou de détection synchrone à la fin du processus d'acquisition (les valeurs - stockées en mémoire vive pour ne pas ralentir la recherche - sont alors transcrites sur disque), une fois les franges trouvées, la frange centrale localisée et l'asservissement sur la frange de plus fort contraste enclenché. L'applicatif permet l'affichage sous forme d'oscilloscopes des diodes D1 et D2 du cryostat ainsi que de la sortie de détection synchrone. Ces signaux, utiles à l'étude de laboratoire (optimisation des réglages, etc.) ne sont pas prioritaires (l'affichage n'a lieu que quand la charge sur le CPU le permet).

A titre illustratif, l'affichage de la cohérence telle que visualisée par la diode DC à la fin d'une acquisition (trou source de 5 µm) est présentée à la Figure 3.2 avec, en parallèle, ce que voit la détection synchrone. Le contraste brut maximum que nous mesurons dans ce cas est de 78.6% (moyennes de plusieurs mesures).

Nous avons procédé à ces mesures de contraste avec l'ensemble des trous sources de filtrage dont nous disposions, i.e. 5, 10, 12.5, 15, 20, 25, 30 et 50 µm. Les contrastes bruts mesurés sont indiqués dans la Table 3.1. On peut les comparer avec les contrastes théoriques de cohérence dont nous avons brièvement présenté le calcul au Chapitre 1 (leur évolution en fonction du retard optique est montrée à la Fig. 3.3). Dans ce cas pratique, le spectre utilisé dans les simulations prend également en compte les courbes de transmission et de réflection des revêtements séparateurs, ainsi que les polarisations en plus de la courbe de réponse des diodes.

Avec 50 µm, un très faible contraste est encore détecté (notre programme d'acquisition trouve les franges et les asservi) mais, sa valeur étant inférieure à 1%, la dynamique de notre carte d'acquisition (valeurs lues des diodes) ne permet pas une mesure précise. En revanche, la détection synchrone (qui reçoit directement le signal des diodes) voit parfaitement le signal et détecte (et asservi) correctement les franges.

Malgré des variations de flux de la source (de quelques % à 50 Hz) l'accord observé entre les mesures de laboratoire et les évaluations théoriques est très bon (erreur maximum de 15%). L'exactitude de ces comparaisons est soutenue par le fait que les différences des contrastes mesurés entre les interféromètres internes et externes (différents à cause des différences de transmissions des séparatrices) sont parfaitement reproduites par les calculs théoriques (pour le trou source de 10 µm, par exemple, nous avons -18.9% et -19.5% - cf. Table 3.1 - pour l'interféromètre externe et -12.3% et -13.5% pour l'interféromètre interne).

1. que des sources faiblement étendues donnent des contrastes de franges tout à fait acceptables pour l'asservissement ;
2. que la diffraction liée à la sélection d'un champ inférieur à la résolution des télescopes n'affecte pas la mesure de cohérence de ce dernier.

La Fig. 3.4 apporte une illustration du point numéro 2 : l'effet de la diffraction est très visible sur la teinte plate (pic central) - cas du trou de 5 µm - mais le signal reste parfaitement cohérent.

Des contrastes très élevés (> 70%) sont possibles en utilisant un diaphragme de champ très inférieur à la tache d'Airy d'un télescope et ce malgré la diffraction.

3.2 Qualité d'asservissement

A partir de l'analyse du bruit de la sortie de la détection synchrone, notre applicatif défini un seuil significatif pour la détection des franges. Les franges étant détectées, l'applicatif commute la sortie de la détection synchrone directement sur le piézoélectrique de contrôle de la ligne à retard. L'asservissement nous amène alors naturellement au sommet de la première frange détectée. Un algorithme simple permet de "sauter" de frange (sans perte de l'asservissement) pour identifier la frange de plus fort contraste (la frange centrale), que le contraste soit positif ou négatif (l'algorithme en tient compte). Quand l'asservissement est localisé sur la frange de plus fort contraste, nous procédons à la mesure de la qualité de l'asservissement.

Pour ce faire nous pourrions mesurer la stabilité de la teinte plate intégrée sur la diode DC mais les variations de flux de la source elle-même affectent beaucoup les mesures (il en va de même sur le CCD). Pour des qualités d'asservissement supérieures à l/20 - l/30, il est préférable d'utiliser les signaux en anti-phase des diodes D1 et D2. Ces signaux, soustraient, donnent directement le contraste et toute déviation est donc due uniquement à un écart de phase. Ce signal modulé à 300 Hz est en fait recueilli en sortie de la détection synchrone différentielle et ses fluctuations sont converties en erreurs de position.

Les stabilités que nous mesurons sont affectées par l'amplitude initiale des fluctuations, la bande passante de correction, la fréquence de modulation, le champ de référence (étendue et complexité ñ> contraste). Dans ce qui suit nous considérons toujours une modulation de 300 Hz et des amplitudes à corriger de l'ordre de 5000 Å pic-à-pic voisines (en terme de spectre de puissance) de la turbulence atmosphérique. Ces conditions de seing moyen au sol sont de très loin les pires que l'on puisse imaginer pour un système spatial. Ces fluctuations sont introduites par un simple flux d'air chaud dans un des bras de l'interféromètre. La Fig. 3.5 montrent les fluctuations typiques résultant de ce système.

L'asservissement étant effectif, la Fig. 3.6 montrent les fluctuations résiduelles que nous enregistrons dans le cas de la source de 5 µm (0.26") et 30 µm (1.55"). Bien que les contrastes soient très différents (contrastes de la frange centrale de 78.6% et 3.2%), la qualité de l'asservissement est assez comparable car elle dépend aussi du flux disponible (25 fois moins de contraste mais 36 fois plus de flux et donc de photons dont la phase est modulée à 300 Hz - les seuls qui soient importants).

Nous avons procédé à ce même type de mesures pour différentes étendues de sources (cf. Table 3.2). La bande passante et le gain de l'asservissement sont optimisés en fonction du contraste anticipé des franges, c'est à dire du champ de référence considéré. Pour les mesures qui suivent le gain n'est pas optimum car les diodes ne sont pas refroidies (fonctionnement à température ambiante). Le flux est estimé à partir de la réponse des diodes et du gain (mesuré) des amplificateurs. La stabilité est estimée en calculant l'écart-type des fluctuations résiduelles (cf. Fig. 3.6) sur 10 secondes (3000 points de mesure).