对基于偏振态调制器的三级米勒矩阵测量方案进行了理论推导和证明，并对其进行了实验验证。通过建立三级系统方程，利用最小二乘的数值算法回归出多个待测器件的米勒矩阵。这种基于系统估值的方案不同于以往文献中提到的使用在线偏振测量仪测量输入/输出偏振态求解单个米勒矩阵的方法。三级串联光学子系统或光器件的米勒矩阵及其物理偏振参量可在一次测量中同时求得。实验测得的三个光学器件延迟量的标准差分别为0.0012、0.0018和0.0040。还针对测量系统的不确定性进行了仿真模拟，并着重讨论了串联系统中存在的误差累积