PHASICS为ELT提供短波红外波前测量的商用标定基准
标定精度要求严苛，
短波红外参考标准必须可靠
在构建下一代高对比度天文观测系统的过程中，准确捕捉极微弱的像差信号，直接影响整体成像质量能否达标。
图1: ELT 欧洲极大型望远镜
ELT（European Extremely Large Telescope）作为在建的世界最大地面望远镜，其首光仪器 HARMONI（高角分辨率单体光学和近红外积分光谱仪）不仅需兼顾广泛科学目标，还承担着直接成像系外行星等高动态范围观测任务。
虽然许多系外行星已通过凌星法、径向速度法、天体测量法或引力透镜等间接方法发现，但要对其大气进行完整的光谱分析，仍需依赖直接成像技术。
然而，直接成像面临极大挑战：系外行星的微弱信号与宿主恒星衍射光高度重叠。为提升信噪比，需要利用自适应光学技术，测量并校正大气湍流与系统内部未共路径光学元件引入的像差（NCPA）；或者借助星冕仪，通过孔径整形等方式将恒星衍射光移出感兴趣区域。此外，还可通过后处理算法进一步从剩余信号中提取目标特征。
为了识别暗弱天体信号，HARMONI 的高对比度模块需搭配先进波前控制系统，识别并校正非共路径像差（NCPA）至 5 nm RMS 以下，才能实现对亮度比高达 10⁶ 的恒星与行星之间的分辨。这一任务需要依赖高精度传感器进行标定确认。
在整个测试平台中，研究团队选择 Phasics 的 SID4 SWIR-HR 波前传感器，作为关键的标定参考，用于构建系统性能验证所需的基线。
图2: PHASICS SID4 SWIR-HR波前传感器
PHASICS
3 nm 范围内的偏差，
验证参考设备的可信度
SID4 SWIR-HR 基于 Phasics 独有的 Quadriwave Lateral Shearing Interferometry（QWLSI）技术，工作波段覆盖0.9 至 1.7 微米，相位取样分辨率为目前市面最高的160×128 像素。更关键的是，它提供优于 2 nm RMS 的相位分辨率。研究团队在理想环境下（无湍流、无色散）使用该设备对其内部ZELDA系统进行精确标定。测试结果显示，ZELDA 所重建的波前图与 SID4 SWIR-HR所测结果之间的偏差在 3 nm RMS 左右，误差来源并非设备本身，而是切换路径用的反射镜存在轻微表面瑕疵。
图3 :用于复现 HARMONI 典型观测条件的实验平台。
(a) ZELDA 相位掩模安装在三轴电动平台的焦平面；(b) 探测器位于出射光瞳平面；(c) ELT 光瞳 1/3900 缩比模型位于中继光瞳平面；(d) 棱镜引入 1.53 λ/D 的色散（对应 52.4° 天顶角）；(e) 空间光调制器用于模拟湍流与静态像差，位于入射光瞳平面。
Image source: “HARMONI at ELT: A Zernike wavefront sensor for the high-contrast module – Testbed results with realistic observation conditions” (SPIE Proceedings, 2022)
这意味着 SID4 SWIR-HR 并不只是“好用”，它在科研级测试中扮演的是“可信基准”的角色。在校准步骤中，Phasics 的传感器持续输出参考波前图，为后续闭环测试提供比较基线。
PHASICS
闭环控制验证：
在动态干扰中展现稳定性能
在理想闭环控制条件下，ZELDA 输出的 OPD 图表现出良好的收敛趋势，最终波前误差稳定在约 10 nm RMS（0–512 λ/D），其中核心感兴趣频段的误差为 5.59 nm RMS。这一结果基本达成系统性能验证的初始目标，表明整体方案具备在实际观测条件下运行的潜力。
图4: 在理想情况下（无色散与无自适应光学残差），闭环过程中ZELDA 波前测量、波前误差残差及功率谱密度（PSD）的演变。Image source: “HARMONI at ELT: A Zernike wavefront sensor for the high-contrast module – Testbed results with realistic observation conditions” (SPIE Proceedings, 2022)
更值得注意的是，在闭环测试中，研究人员观察到 ZELDA 的波前测量存在一个系统性偏差：其测得的相位低估了实际值，低估幅度在 1.4 到 1.5 倍之间。然而，这一现象并未在使用 Phasics 的 SID4 SWIR-HR 商用波前传感器进行校准时出现。ZELDA 在与 Phasics 的数据对比中表现出偏差，而 Phasics 的测量则提供了稳定且一致的参考，成为判断实验平台潜在误差的重要依据。
研究团队指出，这一增益偏差可能源于两个非理想因素：其一，校准完成后实验平台新增了封闭结构，可能导致相位掩模和探测器之间的微湍流干扰；其二，SLM 的机械支撑存在持续漂移，约为 ±4 nm/min，尽管其采用水冷系统，仍可能因热膨胀而引发非对称偏转。这些扰动都会影响波前的真实恢复。
为验证是否确实为这些微扰所致，团队设计了曝光时间对比实验：在极短与较长曝光时间下观察 PSF 是否出现扩展，从而确认是否存在湍流引发的光斑漂移。
因此，Phasics 并不仅仅是用于“初始标定”的工具，更是在系统出现潜在漂移或误差判断时，能够“提供真实基线”的可靠参考。
随着研究引入大气色散残差与自适应光学残差（图 5 与图 6），实验平台的复杂性进一步提升，验证了 ZELDA 在多重干扰下仍具备稳定响应能力。而 Phasics 的波前传感器始终承担着为系统性能提供量化基准的角色，其输出在各阶段闭环性能分析中被反复引用。
图5: 未校正色散时闭环过程中 ZELDA 波前测量、误差残差及功率谱密度（PSD）的演变。Image source: “HARMONI at ELT: A Zernike wavefront sensor for the high-contrast module – Testbed results with realistic observation conditions” (SPIE Proceedings, 2022)
图6: 校正色散后闭环过程中 ZELDA 波前测量、误差残差及功率谱密度（PSD）的演变。Image source: “HARMONI at ELT: A Zernike wavefront sensor for the high-contrast module – Testbed results with realistic observation conditions” (SPIE Proceedings, 2022)
ZELDA 虽为研究中的核心测试对象，但其性能验证过程依赖于 SID4 SWIR-HR 所提供的稳定标定基线。Phasics 的波前传感器在整个测试链中承担了不可替代的角色。它的作用，是在科研人员需要确定“误差从哪里来”时，能够提供一个无须质疑的标准波前图。这正是科研设备真正的价值所在。它不仅是测量工具，更是科研推理链条中的一环。
通过参与 ELT HARMONI 等国际级光学平台的实际测试，再一次证明了Phasics 在高精度波前测量领域的专业性并非仅存于参数表，而是落在每一次精准的对比与验证之中。
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Reference:
HARMONI at ELT: A Zernike wavefront sensor for the high-contrast module – Testbed results with realistic observation conditions” (SPIE Proceedings, 2022)
