[논문 리뷰] SST polarization model and polarimeter calibration

Jakob Selbing|arXiv (Cornell University)|2010. 10. 20.

Adaptive optics and wavefront sensing참고 문헌 3인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 스웨덴 1미터 태양망원경(Swedish 1-m Solar Telescope, SST)의 편광 특성을 정확하게 기술하는 다섯 파라미터의 멀러 행렬 모델을 제시한다. 이 모델은 모든 스토크스 매개변수에서 0.4% 이내의 정확도로 검증되었으며, 회전하는 1/4파장판과 선형 편광판을 사용한 캘리브레이션 방법을 도입하여 편광계의 조절 행렬을 결정한다. CCD의 비선형성은 주요 캘리브레이션 과제로 규명되었으며, 이에 기반해 SST에서 최초로 전 스토크스 영상 편광측정이 가능해졌다.

ABSTRACT

A telescope polarization model for the SST [Swedish 1-m Solar Telescope] is developed and the parameters of this model are fitted to polarization measurements made with a 1-meter linear polarizer in front of the entrance window. In this model, the 1-meter lens is characterized by a five-parameter Muller matrix, corresponding to a retarder with arbritary variations of the retardance and fast-axis orientation across the aperture. The resulting model is verified by measuring the telescope polarization for unpolarized input light and comparing to predictions from the polarization model. The accuracy of the prediction is within approximately 0.4% for all normalized polarization components (Q/I, U/I and V/I). The polarimeter used is based on two nematic liquid crystals and one linear polarizer, and will be used for both imaging polarimetry and spectropolarimetry. The most critical calibration is measuring the modulation matrix. This is done by inserting one linear polarizer and one rotating quarter-wave plate in the optical path before the polarimeter, and measuring the modulated intensity. The calibration of the quarter-wave plate is optimized by measuring the linear polarizer only with the polarimeter, and then minimizing the error in degree of polarization plus the residual error for the inversion of the modulation matrix by iteration of the two unknown parameters (retardance and angle offset). We find that small non-linearities in the CCD response is the major obstacle in calibrating the polarimeter. The first full Stokes imaging polarimetry observations at the SST are shown. Comparing images before and after telescope compensation verify the telescope polarization model.

연구 동기 및 목표

• 스웨덴 1미터 태양망원경(Swedish 1-m Solar Telescope, SST)에 대한 종합적인 편광 모델을 개발하여, 지연각과 빠른 축 방향의 공간적 변동을 고려한다.
• 고정밀 영상 및 스펙트로편광측정을 위한 이중-나이테닉 액정 편광계를 캘리브레이션한다.
• 1/4파장판의 캘리브레이션을 최적화하고 CCD의 비선형성을 다루어 편광 측정 오차를 최소화한다.
• 편광되지 않은 빛을 사용하여 망원경의 편광 모델을 검증하고 예측값을 관측값과 비교한다.
• 신뢰할 수 있는 편광 캘리브레이션을 바탕으로 SST에서 최초로 전 스토크스 영상 편광측정을 실현한다.

제안 방법

• 스웨덴 1미터 태양망원경(Swedish 1-m Solar Telescope, SST)의 편광 응답을 나타내기 위해 공간적으로 변하는 지연각과 빠른 축 방향을 고려한 다섯 파라미터 멀러 행렬 모델을 개발하였다.
• 고정된 선형 편광판과 함께 회전하는 1/4파장판을 사용하여 편광계의 조절 행렬을 측정함으로써 편광계를 캘리브레이션하였다.
• 지연각과 각도 오프셋을 반복 조정하여 편광도 잔차와 조절 행렬의 역행렬화 오차를 최소화함으로써 1/4파장판 캘리브레이션을 최적화하였다.
• 편광되지 않은 빛을 입력하여 망원경 편광 모델을 검증하고 예측값을 측정 데이터와 비교하였다.
• 캘리브레이션 정확도에 미치는 영향을 분석함으로써 CCD의 비선형성을 주요 오차 원인으로 규명하였다.
• 캘리브레이션된 시스템을 적용하여 스웨덴 1미터 태양망원경(Swedish 1-m Solar Telescope, SST)에서 최초로 전 스토크스 영상 편광측정을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스웨덴 1미터 태양망원경(Swedish 1-m Solar Telescope, SST)의 압도적 영역에서 다섯 파라미터 멀러 행렬 모델이 편광 특성을 얼마나 정확하게 기술할 수 있는가?
• RQ2 회전하는 파장판을 갖는 이중-나이테닉 액정 편광계의 최적 캘리브레이션 절차는 무엇인가?
• RQ3 CCD의 비선형성은 편광계 캘리브레이션 정확도를 어느 정도 제한하는가?
• RQ4 개발된 모델을 통해 망원경의 내재된 편광 응답을 신뢰할 만하게 예측하고 보정할 수 있는가?
• RQ5 캘리브레이션된 편광계는 태양 구조물의 전 스토크스 영상에서 얼마나 잘 성능을 발휘하는가?

주요 결과

• 편광되지 않은 빛을 입력했을 때, SST 편광 모델은 모든 정규화된 스토크스 매개변수(Q/I, U/I, V/I)를 측정값과 비교해 약 0.4%의 정확도로 예측한다.
• 회전하는 1/4파장판과 선형 편광판을 사용한 캘리브레이션 방법은 편광도 오차와 조절 행렬의 역행렬화 오차를 성공적으로 최소화하였다.
• CCD의 비선형성은 더 높은 정밀도의 편광계 캘리브레이션을 달성하는 데 있어 주요 장애물로 규명되었다.
• 캘리브레이션된 시스템을 사용하여 SST에서 최초로 전 스토크스 영상 편광측정 관측을 성공적으로 수행하였다.
• 망원경 보정 이전과 이후의 영상 비교를 통해 편광 모델의 타당성과 예측 능력이 확인되었다.
• 다섯 파라미터 멀러 행렬 모델은 망원경의 압도적 영역에서 지연각과 빠른 축 방향의 공간적 변동을 효과적으로 캡처한다.