光学学报, 2019, 39 (9): 0911002, 网络出版: 2019-09-09   

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Simplified Analytical Method for Error Sources in Mueller Matrix Imaging Polarimeter
孟泽江 1,2李思坤 1,2,*王向朝 1,2,**步扬 1,2戴凤钊 1,2杨朝兴 1,2
作者单位
1 中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049
图 & 表

图 1. 用于偏振像差检测的穆勒矩阵成像椭偏仪的结构图

Fig. 1. Structure of Mueller matrix imaging polarimeter for measuring polarization aberration

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图 2. 原始琼斯光瞳。(a)偏振衰减;(b)相位延迟

Fig. 2. Original Jones pupil. (a) Polarization attenuation; (b) phase delay

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图 3. 波片相位延迟误差模型的预测误差统计值。(a)平均值;(b)标准差

Fig. 3. Statistics of prediction errors by using model of delay error of retarder. (a) Mean value; (b) standard deviation

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图 4. 波片偏振衰减误差模型的预测误差统计值。(a)平均值;(b)标准差

Fig. 4. Statistics of prediction errors by using model of polarization attenuation error of retarder. (a) Mean value; (b) standard deviation

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图 5. 波片方位角误差模型的预测误差统计值。(a)平均值;(b)标准差

Fig. 5. Statistics of prediction errors by using model of azimuthal-angle error of retarder. (a) Mean value; (b) standard deviation

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图 6. 两种随机误差引起的穆勒矩阵误差分布的统计值。(a)图像传感器噪声;(b)随机方位角误差

Fig. 6. Statistics of error distribution of Mueller matrix caused by two kinds of random error sources. (a) Image sensor noise; (b) random azimuthal-angle errors of retarders

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图 7. 原始和预测光强误差与波片随机方位角误差的关系

Fig. 7. Relationship between original and predicted intensity errors and random azimuthal-angle error of retarder

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图 8. 图像传感器噪声引起的穆勒矩阵误差。(a)原始值;(b)预测值

Fig. 8. Errors of Mueller matrix caused by noise of image sensor. (a) Original values; (b) predicted values

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图 9. 随机方位角误差引起的穆勒矩阵误差。(a)原始值;(b)预测值

Fig. 9. Errors of Mueller matrix caused by random azimuthal-angle errors of retarders. (a) Original values; (b) predicted values

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表 1穆勒矩阵成像椭偏仪的误差源

Table1. Error sources in Mueller matrix imaging polarimeter

Error typeElementError parameterTypical value
Quarter-wave platesRetardance error δ0.001π
Q1, Q2Diattenuation error ε0.01
SystematicAzimuthal angle error Δθ /(°)0.1
PolarizersDiattenuation error ε0.01
P1, P2Retardance error δ0.001π
Azimuthal angle error Δθ /(°)0.1
RandomImage sensor CCDNoise σI)0.003
(normal distribution)Q1, Q2Azimuthal angle error σθR) /(°)0.1

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表 2含波片相位延迟误差的光强傅里叶系数

Table2. Fourier coefficients of light intensity influenced by delay errorof retarder

OrderTermCoefficient of Fourier seriesApproximate coefficient
01m11/4+(1-s1) (m12+m21)/8+(1-s1)2m22/16m11/4+(1-s1) (m12+m21)/8+(1-2s1) m22/16
1cos(2θ)00
2sin(2θ)-c1m14/4-c1 (1-s1) m24/8-m14/4-(1-s1) m24/8
3cos(2)00
4sin(2)c1m41/4+c1 (1-s1) m42/8m41/4+(1-s1) m42/8
5cos[2(1+k)θ]c12m44/8m44/8
6sin[2(1+k)θ]00
7cos[2(1-k)θ]-c12m44/8-m44/8
8sin[2(1-k)θ]00
9cos(4θ)(1-s12) m22/16+(1+s1) m12/8m22/16+(1+s1) m12/8
10sin(4θ)(1-s12) m23/16+(1+s1) m13/8m23/16+(1+s1) m13/8
11cos(4)(1-s12) m22/16+(1+s1) m21/8m22/16+(1+s1) m21/8
12sin(4)(1-s12) m32/16+(1+s1) m31/8m32/16+(1+s1) m31/8
13cos[4(1+k)θ](1+s1)2 (m22-m33)/32(1+2s1) (m22-m33)/32
14sin[4(1+k)θ](1+s1)2 (m23+m32)/32(1+2s1) (m23+m32)/32
15cos[4(1-k)θ](1+s1)2 (m22+m33)/32(1+2s1) (m22+m33)/32
16sin[4(1-k)θ](1+s1)2 (m23-m32)/32(1+2s1) (m23-m32)/32
17cos[2(1+2k)θ]c1 (1+s1) m34/16(1+s1) m34/16
18sin[2(1+2k)θ]-c1 (1+s1) m24/16-(1+s1) m24/16
19cos[2(1-2k)θ]-c1 (1+s1) m34/16-(1+s1) m34/16
20sin[2(1-2k)θ]-c1 (1+s1) m24/16-(1+s1) m24/16
21cos[2(2+k)θ]-c1 (1+s1) m43/16-(1+s1) m43/16
22sin[2(2+k)θ]c1 (1+s1) m42/16(1+s1) m42/16
23cos[2(2-k)θ]c1 (1+s1) m43/16(1+s1) m43/16
24sin[2(2-k)θ]-c1 (1+s1) m42/16-(1+s1) m42/16

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表 3含波片偏振衰减和方位角误差的光强傅里叶系数

Table3. Fourier coefficients of light intensity influenced by diattenuation and azimuthal-angle error of retarder

OrderTermApproximate coefficient (ε)Approximate coefficient (θ)
01(1-2s2) (m11/4+(m12+m21)/8+m22/16)m11/4+(m12+m21)/8+m22/16
1cos(2θ)s2 (m11/4+m12/4+m21/8+m22/8)-s3 (m14/4+m24/8)
2sin(2θ)-(m14/4+m24/8)+s2 (m14/2+m24/4+m13/4+m23/8)-(m14/4+m24/8)
3cos(2)s2 (m11/4+m21/4+m12/8+m22/8)s3 (m41/4+m42/8)
4sin(2)(m41/4+m42/8)-s2 (m41/2+m42/4-m31/4-m32/8)(m41/4+m42/8)
5cos[2(1+k)θ]m44/8-s2 (m44/4-m34/8+m43/8)m44/8
6sin[2(1+k)θ]-s2 (m14/8+m24/8-m41/8-m42/8)-s3m44/4
7cos[2(1-k)θ]-m44/8+s2 (m44/4-m34/8+m43/8)-m44/8
8sin[2(1-k)θ]-s2 (m14/8+m24/8+m41/8+m42/8)0
9cos(4θ)(1-2s2) (m12/8+m22/16)(m12/8+m22/16)+s3 (m13/4+m23/8)
10sin(4θ)(1-2s2) (m13/8+m23/16)(m13/8+m23/16)-s3 (m12/4+m22/8¯)
11cos(4)(1-2s2) (m21/8+m22/16)(m21/8+m22/16)+s3 (m31/4+m32/8)
12sin(4)(1-2s2) (m31/8+m32/16)(m31/8+m32/16)-s3 (m21/4+m22/8¯)
13cos[4(1+k)θ](1-2s2) (m22-m33)/32(m22-m33)/32+s3 (m23+m32)/8
14sin[4(1+k)θ](1-2s2) (m23+m32)/32(m23+m32)/32-s3 (m22-m33)/8
15cos[4(1-k)θ](1-2s2) (m22+m33)/32(m22+m33)/32
16sin[4(1-k)θ](1-2s2) (m23-m32)/32(m23-m32)/32
17cos[2(1+2k)θ]m34/16-s2 (m34/8+m33/16¯-m21/16-m22/16)m34/16-3s3m24/16
18sin[2(1+2k)θ]-m24/16+s2 (m24/8+m23/16+m31/16+m32/16)-m24/16-3s3m34/16
19cos[2(1-2k)θ]-m34/16+s2 (m34/8+m33/16¯+m21/16+m22/16)-m34/16+s3m24/16
20sin[2(1-2k)θ]-m24/16+s2 (m24/8+m23/16-m31/16-m32/16)-m24/16-s3m34/16
21cos[2(2+k)θ]-m43/16+s2 (m43/8-m33/16¯+m12/16+m22/16)-m43/16+3s3m42/16
22sin[2(2+k)θ]m42/16-s2 (m42/8-m32/16-m13/16-m23/16)m42/16+3s3m43/16
23cos[2(2-k)θ]m43/16-s2 (m43/8-m33/16¯-m12/16-m22/16)m43/16-s3m42/16
24sin[2(2-k)θ]-m42/16+s2 (m42/8-m32/16+m13/16+m23/16)-m42/16-s3m43/16

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表 4偏振元件角度配置方案

Table4. Angle configuration of polarization element

ConfigurationAngle of P1θ1 /(°)Angle of Q1ϕ1 /(°)Angle of Q2ϕ2 /(°)Angle of P2θ2 /(°)
1×144×100, 1.25, 2.5, …, 178.756ϕ10

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孟泽江, 李思坤, 王向朝, 步扬, 戴凤钊, 杨朝兴. 穆勒矩阵成像椭偏仪误差源的简化分析方法[J]. 光学学报, 2019, 39(9): 0911002. Zejiang Meng, Sikun Li, Xiangzhao Wang, Yang Bu, Fengzhao Dai, Chaoxing Yang. Simplified Analytical Method for Error Sources in Mueller Matrix Imaging Polarimeter[J]. Acta Optica Sinica, 2019, 39(9): 0911002.

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