[论文解读] SST polarization model and polarimeter calibration

Jakob Selbing|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2010

Adaptive optics and wavefront sensing参考文献 3被引用 6

一句话总结

本文提出了一种五参数穆勒矩阵模型，用于描述瑞典1米太阳望远镜（SST）的偏振特性，该模型在所有斯托克斯参数上的验证精度达到0.4%。研究提出了一种利用旋转四分之一波片和线性偏振片的校准方法，以确定偏振计的调制矩阵，识别出CCD非线性性为主要校准挑战，从而首次实现了SST的全斯托克斯成像偏振测量。

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.

研究动机与目标

• 开发一种全面的瑞典1米太阳望远镜（SST）偏振模型，以考虑延迟量和快轴方向的空间变化。
• 对双列向列液晶偏振计进行校准，以实现高精度成像与光谱偏振测量。
• 通过优化四分之一波片的校准并解决CCD非线性性问题，最大限度降低偏振测量误差。
• 利用无偏振光验证望远镜偏振模型，并将预测结果与观测数据进行对比。
• 通过可靠的偏振校准，实现SST首次全斯托克斯成像偏振测量。

提出的方法

• 开发了五参数穆勒矩阵模型，以表征SST的偏振响应，同时考虑延迟量和快轴方向的空间变化。
• 通过固定线性偏振片与旋转四分之一波片的组合，对偏振计进行校准，以测量调制矩阵。
• 通过迭代调整延迟量和角度偏移，最小化偏振度残差及调制矩阵的反演误差，优化四分之一波片的校准。
• 使用无偏振光输入验证望远镜偏振模型，并将预测结果与实测数据进行对比。
• 通过分析其对校准精度的影响，识别出CCD非线性性为主要误差源。
• 应用已校准的系统，首次在SST上实现全斯托克斯成像偏振测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 五参数穆勒矩阵模型在多大程度上能准确描述SST孔径范围内各位置的偏振特性？
• RQ2 针对带有旋转波片的双列向列液晶偏振计，最优的校准程序是什么？
• RQ3 CCD非线性性在多大程度上限制了偏振计校准的精度？
• RQ4 是否可以利用所开发的模型可靠地预测并补偿望远镜固有的偏振响应？
• RQ5 经校准的偏振计在太阳特征的全斯托克斯成像中表现如何？

主要发现

• 当使用无偏振光输入时，SST偏振模型对所有归一化斯托克斯参数（Q/I, U/I, V/I）的预测精度约为0.4%。
• 采用旋转四分之一波片与线性偏振片的校准方法，成功减小了偏振度误差及调制矩阵反演误差。
• 识别出CCD非线性性是实现更高精度偏振计校准的主要障碍。
• 利用已校准系统，首次成功实现了SST的全斯托克斯成像偏振测量。
• 对比补偿前后的图像，证实了偏振模型的有效性与预测能力。
• 五参数穆勒矩阵模型能够有效捕捉望远镜孔径范围内延迟量与快轴方向的空间变化。