PS-OCT(Polarization-Sensitive Optical Coherence Tomography) is adapted to aquire microscopic tomography of light polarization change inside scattering media. PS-OCT can extract depth-resolved polarization change by combining photon selection ability based on low coherence of source and interferometric ellipsometry. In order to improve PS-OCT technology, firstly, statistics of PS-OCT signals is identified. The amplitude of the detected signal is found to faithfully follow the Rayleigh distribution predicted by the scattering theory of electromagnetic waves in random media. The probability density function of the phase difference between the two orthogonal signal components of PS-OCT is explicitly derived and then verified in comparison with the experimental data measured from in-vitro tissues. Secondly, to describe PS-OCT signals for various scattering media, a Monte Carlo model for polarized light propagation in a multiple layered birefringent scattering medium based on the Jones formalism and Mie scattering theroy is developed. The simulation makes it possible to derive the depth-resolved Stokes vector, which provides a complete characterization of the optical polarization state change of a scattering media.
The experimental PS-OCT system is utilized to expand PS-OCT applications for engineering materials and tissues. Nondestructive testing of translucent glass-epoxy composites was performed to map the inside stresses distribution by means of the PS-OCT. Cross-section image of Stokes vectors successfully visualize internal stress distribution and microscopic damage inside composite. The developed system is also exploited to classify types of connective tissue. Sample tissues corresponding to typical connective tissue types were extracted from human tongue, bovine cartilage and rodent skin, and PS-OCT images for each tissue are compared with morphological characteristics of tissues including collagen fiber types and its orientation.
본 연구에서는 PS-OCT (polarization-sensitive optical coherence tomogrpahy) 기법을 적용하여 산란 매질의 미세 편광 토모그래피를 획득하였다. PC-OCT 방법은 저가간섭성 광원을 이용한 간섭현상과 간섭타원해석기법 (Interferometric ellipsometry) 을 적용하여 산란매질 내부의 각 깊이별로 발생하는 빛의 편광성분변화를 추출한다. 본 연구에서는 PS-OCT 신호들의 크기분포는 이론적으로 산란이론으로 계산된 전자기파의 크기 분포와 동일한 분포를 따르고 있음을 밝혔으며, 신호들의 위상차 분포 역시 산란광의 순간 위상차 분포와 동일함을 확인하였다. 생체조직에 대한 신호를 추출하여 실험적으로 신호의 확률적 분포를 입증하고 이론치와 비교하였다. 다음으로, PS-OCT 방법의 개선을 위하여 PS-OCT에 적용 가능한 몬테 카를로 (Monte Carlo) 모사법을 개발하였다. 미 (Mie) 산란이론과 존스(Jones) 벡터를 적용하여 복잡한 구조 및 광학적 특성을 가지는 산란 매질에 대한 PS-OCT 신호와 편광변화를 예측할 수 있게 하였다.
본 연구를 위해 제작된 PS-OCT 실험장치를 이용하여 복합재료와 생체 조직에 대해 응용하여 그 활용 범위를 넓혔다. 본 실험장치로 유리/에폭시 복합재료를 측정하여 재료 내부의 결함과 내부 응력분포를 비파괴적, 비접촉방법으로 동시에 추출하였다. 또한, 연결조직 (connective tissue)의 유형 (type) 분류를 위해 본 장치를 활용하였다. 각 유형에 따른 대표적인 연결조직을 인체, 쥐, 소에서 추출하고 이에 대한 각각의 편광 모노그래피를 획득하였으며, 각 유형에 따른 콜라겐(collagen) 섬유 분포와 같은 형태학적 특성과 편광 토모그래피를 비교하였다. 이를 통해 연결 조직의 변성을 비침해(non-invasive)적인 방법으로 구현하였다.
