大型光学天文望远镜中存在由于不同坐标系转换造成的物方视场旋转和望远镜内部光路中折轴平面反射镜之间的相对转动造成的像方视场旋转。为了提高空间分辨率和获得稳定的图像，需要对视场旋转进行补偿(消旋)。采用K 镜作为消旋器件，并通过矩阵方法分析其消旋原理及消旋条件，由此把K 镜分为两种结构：对称式和非对称式。与棱镜类似，K 镜对系统光轴和成像有影响。在设计时，K 镜的口径、体积和角度需要考虑加工装调和望远镜整体光路的要求，在满足要求后，可进行一定的优化。用Zemax 可实现对K 镜的光学设计，最后用空间几何关系来计算装调误差，并利用MATLAB 和Zemax得到误差分析结果。

由于传统的斯托克斯椭偏仪定标方法中入射光源的偏振效应、定标单元中光学元件的制造与装调误差都会降低仪器矩阵的定标精度, 从而影响偏振态的测量精度, 本文提出了基于非线性最小二乘拟合算法的仪器矩阵偏振定标方法。该方法将描述定标单元的参量和仪器矩阵的所有矩阵元一起作为未知参数, 根据偏振光学传输理论建立探测光强与未知参数的函数关系式; 然后,基于非线性最小二乘拟合方法拟合实际探测光强随定标单元方位角的变化曲线, 进而得到斯托克斯椭偏仪的仪器矩阵。实验中使用该方法和传统方法在500~700 nm波段分别定标了KD*P型斯托克斯椭偏仪的仪器矩阵。结果显示, 新方法在500~600 nm波段获得的斯托克斯参数的总均方根(RMS)偏差为1.6%, 较传统定标方法提高约0.5%; 波长大于600 nm时, 由于系统信噪比降低使得新方法的测量精度降为2.4%, 但仍然远高于传统方法的测量精度。结果表明, 提出的方法简单易行, 适用于各种斯托克斯椭偏仪的仪器矩阵定标。

提出了一种利用非线性最小二乘拟合法自校准测量偏振元件Mueller矩阵参数的新方法。通过测量放入待测样品前后输出偏振态的Stokes参数，建立起由测得的输出偏振态参数、系统未知参数与被测样品的Mueller矩阵之间的函数关系式，使用多参数的非线性最小二乘拟合求解得到待测样品的Mueller矩阵。建立了一套基于铁电液晶波片、旋转波片及偏振片的光谱型Mueller矩阵椭偏仪，并通过自编的Labview自动控制软件实现了智能化测量。误差分析和实际测量结果表明，在600~900 nm波长范围内，Mueller矩阵元参数的测量精度在0.01以内，重复性精度达到0.005。该测量系统无需对系统进行复杂的定标，简化了测量过程，实现了Mueller矩阵元参数的自校准测量。

在旋转补偿器椭偏仪(RCE)的基础上，提出了一种自校准的波片相位延迟测量方法。该方法将补偿器的相位延迟作为未知参数，根据Mueller矩阵理论建立了4个非线性方程，求解得到待测波片的相位延迟；实现了补偿器相位延迟的自校准，消除了其定标不准确带来的系统误差，尤其适用于多个波长的波片延迟测量。在此基础上建立了一套波片延迟测量系统，并分析和模拟了各种主要的误差源对系统测量精度的影响。结果表明，对于任意延迟的波片，测量系统最大的系统误差和随机误差分别为0.036°和0.040°。此外，使用该方法分别测量了λ/4波片、λ/2波片、127°波片和空气(不放入任何样品)在波长517.3、525.0、532.4 nm处的相位延迟以评估测量系统的性能，其中空气的相位延迟代表测量系统的测量精度，与模拟结果基本一致。

提出一种精密测量波片相位延迟的新方法。将待测波片置于起偏器和检偏器之间，通过步进电机控制波片匀速旋转，基于最小二乘法拟合出射光强随波片方位角变化的曲线，进而得到波片延迟。根据上述原理，建立了一套波片延迟测量系统，并分析了系统的稳定性、可测量的延迟范围、接收器件的非线性效应、系统误差源这4个影响测量精度的主要方面。结果表明，该系统不适于测量λ/2波片；检偏器方位角在±38°范围内，采样间隔小于10°时系统较稳定；接收器件的二次非线性效应产生较大的系统误差；波片初始角度误差和检偏器方位角误差对该系统的延迟测量影响较大；除0\O,180°,360°附近区域外，系统的检测重复偏差在0.1°以内；该检测精度在整个可见光区域基本保持不变。

由于双折射滤光器型太阳磁场望远镜中滤光器的研制质量直接影响透过带，进而影响太阳磁场的测量，本文对影响双折射滤光器透过带漂移的各种误差因素进行了分析。通过计算机编程，完全模拟了光线轨迹，精确分析了多种误差项对双折射滤光器透过带的影响。给出了引起透过带漂移、展宽、极大值和极小值变化的主要误差项。分析表明，入射角、晶体光轴倾角误差、晶体厚度误差和1/4波片光轴方位角误差影响透过带漂移；只有晶体光轴方位角误差影响透过带宽，当误差为2°时，透过带展宽了0.078%；宽视场1/2波片光轴方位角误差对极大值的影响最明显，当误差为2°时，极大值减小了0.487%；晶体光轴方位角误差、宽视场1/2波片延迟误差和1/4波片光轴方位角误差对极小值都有不同程度的影响。

高质量的消色差波片是太阳望远镜实现多波段观测的重要元件,它的消色差性能直接限制观测仪器的工作波长范围。通过对不同类型的消色差波片性能的理论分析与比较,优选出消色差性能最佳的由5片同种折射材料组成的消色差波片。对研制的37 mm口径聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol)塑料波片性能参数的测试显示,在486.1-656.3 nm波长范围内,λ/2波片延迟的绝对误差小于λ/350,光轴误差小于±0.2°;λ/4波片延迟的绝对误差小于λ/160,光轴误差小于±0.6°。在温度变化20-65 ℃ 范围内,延迟随温度变化在10-4量级,视场效应明显优于双折射晶体。以上测试结果表明,这种聚乙烯醇塑料波片可以用于整个可见光区域,且具有极好的温度效应和视场效应,适用于多波长需求的仪器。

应用偏振分析器精确测量太阳光的偏振状态,并利用塞曼效应原理可以反演出太阳大气中的磁场形态,进而可以研究太阳黑子、耀斑及日冕物质抛射(CME)等活动现象。近红外波段观测是太阳物理研究的前沿领域,研制该波段偏振分析器可以获得比可见光更为丰富的信息,有利于解决太阳物理的基本问题。用一片λ/2与一片1 λ可调相位延迟向列液晶波片(LCVR)组合,作为电光调制系统,并选用近红外波段消光比为10-5的偏振片作为检偏器,构成近红外偏振分析器。建立了精度为±0.01 ℃恒温控制系统。设计了电光调制方案,并对液晶波片的相位延迟与驱动电压的对应关系进行了精确定标。误差分析表明该方案交叉串扰(crosstalk)可到10-3量级,满足设计需求;与传统电光晶体KD*P等相比,液晶波片具有仅需低压调制、相位延迟连续可调、近红外波段透过率高、能够形成大口径等优势;同时由于无需机械移动部件,因而测量各斯托克斯(Stokes)参量间切换速度达到了毫秒量级,比机械移动调制形式的速度提高了2个数量级,从而可提高仪器测量的时间分辨率。

从单轴晶体的双折射性质出发,应用光线追迹方法,研究了滤光器系统中光的传播规律.将光线的传播方向、相位信息和振动状态用入射角、入射光方位角和晶体参最表示出来,结合偏振光的干涉原理,辅以计算机编程,分析了多种误差源对透过带形状的影响.通过与Evans离轴效应公式的对比,得到0.7%的最大相对误差,从而验证了本文方法的正确性,为滤光器的研制提供了可靠依据.