Ukrainian Journal of Physical Optics


2025 Volume 26, Issue 3


ISSN 1816-2002 (Online), ISSN 1609-1833 (Print)

NEW SOLUTIONS FOR POLARIZATION-SENSITIVE OPTICAL COHERENCE TOMOGRAPHY

O.V. Angelsky, C.Yu. Zenkova, A.Ya. Bekshaev, D.I. Ivanskyi, M. Diachenko, Jun Zheng and Xinzheng Zhang

Author Information
O.V. Angelsky1,2 ORCID logo SCOPUS logo, C.Yu. Zenkova2 ORCID logo SCOPUS logo, A.Ya. Bekshaev3 ORCID logo SCOPUS logo, D.I. Ivanskyi2 ORCID logo SCOPUS logo, M. Diachenko4 SCOPUS logo, Jun Zheng1,* SCOPUS logo, Xinzheng Zhang5 SCOPUS logo
1Taizhou Research Institute of Zhejiang University, Taizhou City, Zhejiang Province, 318000 China
2Chernivtsi National University, 2 Kotsyubinsky Str., Chernivtsi 58012, Ukraine
3Physics Research Institute, Odesa I.I. Mechnikov National University, 2 Dvorianska, Odesa 65082, Ukraine
4Municipal Enterprise Chernivtsi Regional Clinical Cardiological Center, Chernivtsi, Ukraine
5The MOE Key Laboratory of Weak-Light Nonlinear Photonics and International Sino-Slovenian Joint Research Center on Liquid Crystal Photonics, TEDA Institute of Applied Physics and School of Physics, Nankai University, Tianjin 300457, China
*Corresponding author: dbzj@netease.com

ABSTRACT

The work is a development of the studies presented in [1] on the reconstruction of the corneal structure of the eye, using a modified Mach-Zehnder interferometer, equipped with a polarization modulator and a feedback loop. A distinctive feature of this approach is the consideration of the depolarization of the object signal, which arises due to scattering on epithelial cells and keratocytes of the cornea. The introduced ratio of polarized and depolarized intensities enabled the evaluation of the depolarization effect on the object signal, while the proposed experimental solution allowed for an increase in the accuracy of eye structure reconstruction by 22.84%. Elimination of the "noise" vertical component of the object signal, caused by the depolarization of the input horizontally linearly polarized wave, led to the successful reconstruction of the corneal structure from the vertical channel of the interferometer, as demonstrated in this study

Keywords: optical coherence tomography, depolarization, scattering centers, birefringence, Monte-Carlo method, Mach-Zehnder interferometer

UDC: 535.4, 535.5

    1. Angelsky, O. V., Zenkova, C. Y., Ivanskyi, D. I., & Ursuliak, Y. (2025). Monte Carlo Model for Describing Photon Interactions with Biological Tissue in New Approaches of Polarization-Sensitive Optical Coherence Tomography. Optical Memory and Neural Networks, 34(1), 30-48.
      doi:10.3103/S1060992X24602045
    2. Torzicky, T. (2014). Polarization sensitive optical coherence tomography at 1060 nm for retinal imaging. [Unpublished doctoral dissertation]. Medical University of Vienna.
    3. Hee, M. R., Huang, D., Swanson, E. A., & Fujimoto, J. G. (1992). Polarization-sensitive low-coherence reflectometer for birefringence characterization and ranging. Journal of the Optical Society of America B, 9(6), 903-908.
      doi:10.1364/JOSAB.9.000903
    4. Götzinger, E., Pircher, M., & Hitzenberger, C. K. (2005). High speed spectral domain polarization sensitive optical coherence tomography of the human retina. Optics Express, 13(25), 10217-10229.
      doi:10.1364/OPEX.13.010217
    5. Baumann, B. (2017). Polarization sensitive optical coherence tomography: a review of technology and applications. Applied Sciences, 7(5), 474.
      doi:10.3390/app7050474
    6. Pierce, M. C., Shishkov, M., Hyle Park, B., Nassif, N. A., Bouma, B. E., Tearney, G. J., & De Boer, J. F. (2005). Effects of sample arm motion in endoscopic polarization-sensitive optical coherence tomography. Optics Express, 13(15), 5739-5749.
      doi:10.1364/OPEX.13.005739
    7. Adie, S. G., Hillman, T. R., & Sampson, D. D. (2007). Detection of multiple scattering in optical coherence tomography using the spatial distribution of Stokes vectors. Optics Express, 15(26), 18033-18049.
      doi:10.1364/OE.15.018033
    8. Schmitt, J. M., & Knüttel, A. (1997). Model of optical coherence tomography of heterogeneous tissue. Journal of the Optical Society of America A, 14(6), 1231-1242.
      doi:10.1364/JOSAA.14.001231
    9. Pan, Y., Birngruber, R., & Engelhardt, R. (1997). Contrast limits of coherence-gated imaging in scattering media. Applied Optics, 36(13), 2979-2983.
      doi:10.1364/AO.36.002979
    10. Yadlowsky, M. J., Schmitt, J. M., & Bonner, R. F. (1995). Multiple scattering in optical coherence microscopy. Applied Optics, 34(25), 5699-5707.
      doi:10.1364/AO.34.005699
    11. Yura, H. T., & Thrane, L. (2002, May). The effects of multiple scattering on axial resolution in optical coherence tomography. In Summaries of Papers Presented at the Lasers and Electro-Optics. CLEO'02. Technical Diges (pp. 476-vol). IEEE.
      doi:10.1109/CLEO.2002.1034219
    12. Lu, Q., Gan, X., Gu, M., & Luo, Q. (2004). Monte Carlo modeling of optical coherence tomography imaging through turbid media. Applied Optics, 43(8), 1628-1637.
      doi:10.1364/AO.43.001628
    13. Zhu, L., Makita, S., Tamaoki, J., Zhu, Y., Mukherjee, P., Lim, Y., Kobayashi, M. & Yasuno, Y. (2023). Polarization-artifact reduction and accuracy improvement of Jones-matrix polarization-sensitive optical coherence tomography by multi-focus-averaging based multiple scattering reduction. Biomedical Optics Express, 15(1), 256-276.
      doi:10.1364/BOE.509763
    14. Angelsky, O. V., Bekshaev, A. Y., Zenkova, C. Y., Ivanskyi, D. I., Zheng, J., & Chumak, M. M. (2023). Modeling of the high-resolution optical-coherence diagnostics of bi-refringent biological tissues. Frontiers in Physics, 11, 1260830.
      doi:10.3389/fphy.2023.1260830
    15. Zenkova, C. Y., Angelsky, O. V., Ivanskyi, D. I., & Chumak, M. M. (2023). Geometric phase for investigation of nanostructures in approaches of polarization-sensitive optical coherence tomography. Physics and Chemistry of Solid State, 24(4), 729-734.
      doi:10.15330/pcss.24.4.729-734
    16. Zenkova, C. Y., Ivanskyi, D. I., Diachenko, M., & Chumak, M. M. (2024, January). Model of optical axis orientation estimation in birefringent biological tissues. In Sixteenth International Conference on Correlation Optics (Vol. 12938, pp. 39-42). SPIE.
      doi:10.1117/12.3009121
    17. Zenkova, C., Angelsky, O., & Ivanskyi, D. (2024). New possibilities of polarization-sensitive optical coherence tomography using geometric phase approach for diagnostics of thin surface (subsurface) biological layers. Optica Applicata, 54(3).
      doi:10.37190/oa240302
    18. Gangnus, S. V., Matcher, S. J., & Meglinski, I. V. (2004). Monte Carlo modeling of polarized light propagation in biological tissues. Laser Physics, 14(6), 886-891.
      doi:10.1117/12.470497
    19. Tuchin, V. V. (2015). Tissue optics: Light scattering methods and instruments for medical diagnosis (3rd ed.). SPIE Press.
      doi:10.1117/3.1003040
    20. Collett, E. (2005). Field guide to polarization. SPIE Press.
      doi:10.1117/3.626141
    21. Meglinski, I., Kirillin, M., Kuzmin, V., & Myllylä, R. (2008). Simulation of polarization-sensitive optical coherence tomography images by a Monte Carlo method. Optics Letters, 33(14), 1581-1583.
      doi:10.1364/OL.33.001581
    22. Tuchin, V. V. (2016). Polarized light interaction with tissues. Journal of Biomedical Optics, 21(7), 071114-071114.
      doi:10.1117/1.JBO.21.7.071114
    23. Lee, G. D. R., Kim, D. H., Kwon, et al. (2023, December). A 0.5 µm pixel 3-layer stacked CMOS image sensor with deep contact and in-pixel Cu-Cu bonding technology. In 2023 International Electron Devices Meeting (IEDM) (pp. 1-4). IEEE
      doi:10.1109/IEDM45741.2023.10413687
    24. Lopez-Mago, D., Canales-Benavides, A., Hernandez-Aranda, R. I., & Gutiérrez-Vega, J. C. (2017). Geometric phase morphology of Jones matrices. Optics Letters, 42(14), 2667-2670.
      doi:10.1364/OL.42.002667
    25. Lippok, N., Coen, S., Leonhardt, R., Nielsen, P., & Vanholsbeeck, F. (2012). Instantaneous quadrature components or Jones vector retrieval using the Pancharatnam-Berry phase in frequency domain low-coherence interferometry. Optics Letters, 37(15), 3102-3104.
      doi:10.1364/OL.37.003102

    Робота є продовженням досліджень, представлених у [1], з реконструкції структури рогівки ока на базі модифікованого інтерферометра Маха-Цендера, з додатковим поляризаційним модулятором та лінією зворотного зв’язку. Відмінною особливістю цього підходу є врахування деполяризації об'єктного сигналу, що виникає внаслідок розсіювання на епітеліальних клітинах і кератоцитах рогівки. Введене співвідношення між поляризованою та деполяризованою компонентами інтенсивності зареєстрованого об’єктного сигналу дозволило оцінити вплив деполяризації на сигнал, а запропоноване експериментальне рішення дало змогу підвищити точність реконструкції структури ока на 22,84%. Як показано у запропонованому дослідженні, усунення «шумової» вертикальної компоненти об’єктного сигналу, спричиненої деполяризацією вхідної горизонтально лінійно поляризованої хвилі, забезпечило успішну реконструкцію структури рогівки за даними, отриманими у вертикальному каналі інтерферометра.

    Ключові слова: оптична когерентна томографія, деполяризація, центри розсіювання, подвійне променезаломлення, метод Монте-Карло, інтерферометр Маха-Цендера

Free download this article 

This work is licensed under CC BY 4.0