光學散射元件原理介紹
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光散射元件依工作原理分類
光散射元件大致可分為兩種： 反射型光散射元件 透射型光散射元件
●粗糙表面(Rough Surface)之散射元件 ●體散射(Bulk Scattering)元件 ●圖型表面(Pattern Surface)之散射元件
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反射型光散射
反射型光散射，即雜散光的產生來自於反射面，其成因乃是 因為反射表面崎嶇不平，光線入射反射面後並反射以致散布 的現象，如下圖所示。崎嶇不平的反射表面，可視為許多小 部份角度不同的反射面的組合，當光線入射此粗糙的表面， 光線會被反射至許多不同的角度，這些光線疊加的結果，即 為粗糙反射面造成之散射光。 我們常會在許多地方 看到這個現象，例如 鏡面成像上的像差 (Aberration)，路面 反射出的散射光，都 是因為不平滑的反射 面所造成的。
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透射型光散射
光通過透明介質時所發生的光散射行為，其 成因來自於透明介質之粗糙的表面或是折射 率分布不均勻的介質所造成。
粗糙介質表面光散射元件架構圖
體散射光散射元件架構圖
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粗糙表面之散射元件
當入射角到達界面之全反射角(臨界角)時，入 射光會直接被全反射，這些被反射的光線疊加 起來， 通常會造成材質的後散射光 (Backscattering Light) 。
當光線入射這些表面時，會發生一連串的光折射現 象，這些發生折射的光線均必需遵守折射定律 (Snell’s Law)來決定通過界面後之方向，即 n1 sinθ 1 = n2 sinθ 2 其中n1 與n2 分別為介質周圍環境與介質本身的折 射率， θ 1及θ 2分別為入射角與入射介質後的折射角。
穿透
入射光入射粗糙面並經過複雜的折射之後， 並進入介質往多方向傳遞，這些光線疊加的 結果，就是所謂的穿透散射光。
粗糙介質表面光散射元件架構圖
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透射型光散射--體散射
因介質折射率不均勻所引起之散射，由於其散射行為是在 介質中發生，故一般也稱為體散射材質所引起的散射，如 充滿氣泡的膠體所產生的散射。
若介質中之折射率有不均勻的情況時，則我 們可將此介質視為由許多不同折射率的區塊 所組成，當光線入射此介質，光線會遭遇到 一連串的界面，並發生一連串的折射與反射 現象，而所有的光線入射界面時均要遵守 Snell’s Law來決定入射界面後折射的方向。 當光線每通過一個區塊，所產生折射光與反 射光，又會再入射別的區塊，並產生另外的 折射光與反射光，如此這樣週而復始的作用 一直要到光線從介質中射出才會停止，而未 射出的光線，最後也會被侷限在介質中，以 致最後被介質吸收而造成能量的損耗。
穿透
體散射光散射元件架構
圖
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體散射之光散射元件
體散射之光散射元件，其影響散射能力之 的因素有很多，如介質折射率、介質中散 射體的形狀、位置、大小、密度等，任何 一個參數均會影響體散射介質之散射能力。 因此，一般體散射之光散射片，均有大量 的能量被侷陷在介質之中，對於照明設計 之應用上，常造成燈具能量效率不佳的問 題。
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傳統的體散射之光散射元件是在基材中，例如氣泡、化 學顆粒等，光源在透射擴散過程中會在兩折射率相異的 介質產生折射、反射及散射等現象，最終離開表面而造 成光學擴散的效果。
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體散射型擴散光罩
高性能PC光擴散原料 是以聚碳酸酯為基材， 加以進口高品質光擴 散劑及其它特殊材料 聚合而成。
成型工藝: 塑膠射出、擠出和吹 塑
球泡燈泡殼 後散射光 穿透散射光
T8日光燈光罩
球泡燈泡殼
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光擴散板構造兒-也算是體散射型
將透明之基材表面中，導 入具光擴散性之微粒子， 使得兩種介質的不同折射 率，導致光線不斷折射、 反射和散射，達到光擴散 效果，使得此結構之板狀 材具有光擴散之性質，使 發光面均勻發光。 。
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市售泛用的擴散粒子塗佈型 (Scattering Beads)
擴散粒子︰當下方之光源遇到擴散粒子，因介質不同 而改變光的行進方向，以達到霧化效果。 粒子分佈之密度及均勻度，會直接影響光學特性。
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LED 球泡燈泡殼-玻璃
玻璃內部塗佈霧化劑 (看不見光點) 玻璃燈罩、燈殼、玻殼、泡殼
玻璃燈罩易碎 底部切口不平整
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圖型表面之散射元件主要有二種 1. 表面週期性微結構之擴散膜 Period Micro-Lens 2. 表面非週期性微結構之擴散膜 Light Shaping Diffusers (LSD)
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表面週期性微結構之擴散膜 Period Micro-Lens
表面微結構擴散膜是在PET膜上塗佈一層UV感光材料, 經 刻有微結構的鋼輪壓印, 將為結構轉印到感光材料上, 再經 紫外線硬化而形成擴散膜。表面結構有菱鏡、金字塔、不 等邊等不同型式。
表面微結構 Microstructure
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光塑型擴散膜 Light Shaping Diffusers (LSD)
採用全像術技術, 表面不規則非周 期性非平面的突出結構連續且平 順的變化(非週期性微結構Micorlens) 全像術技術是以平面材料紀錄含 三度空間的影像資訊, 其原理主要 是紀錄兩道同調性(Coherent)很 高的光干涉條紋於底片上(紀錄光 強度和相位的資訊)
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光塑型擴散膜 Light Shaping Diffusers (LSD)
高達92%的透光效率 高品質均勻性的出光 無眩光問題 入射光被擴散膜限制在特定區域而不會從邊界洩漏 可提高對光的控制和利用率
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精緻光型-光塑型擴散膜 應用
在 筒燈Downlight 、 MR16 、 PAR燈
光塑型擴散膜的好處 •白光顏色的色澤均勻無色斑 •出光的亮度均勻 •高效的光學系統90% •超薄的外形
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精緻光型-光塑型擴散膜 未來可應用在特殊光型投射燈
線形光 橢圓光形
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透射型光散射元件 散射光線分析
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透射型光散射元件散射光線示意圖
鏡面光束 對於發散後的光線，我們可以定義 其分布的情形，稱為雙向光散射分 布函數。其意義即為在各個角度上 所量測的散射光能量與入射光能量 的比值，則我們可藉由各個角度上 BSDF 之分布瞭解散射元件之散射能 力。 BSDF是一個用來描述此散射光 在空間中角度場分布的數學方程式。
散射光束
入射光束
雙向光散射分布函數BSDF(Bidirectional scattering distribution function) 雙向反射散射光分布函數BRDF(Bidirectional reflectance distribution function) 雙向穿透散射光分布函數BTDF(Bidirectional transmittance distribution function) 雙向體散射光分布函數BVDF(Bidirectional volume distribution function)
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散射示意圖
光線入射至擴散板時，分為反射 以及穿透兩個部份的散射。穿透 率較高的擴散板或是輕薄的擴散 膜中，擴散板的散射效應不明顯， 此時散射光的能量會集中在某特 定方向直接進行反射或穿透，此 稱為鏡面光束。換句話說，穿透 率較低的擴散板中，具有較強的 散射能力時，將不會有明顯的鏡 面光束，相應產生的散射光分布 也許是更加寬廣的高斯分布 (Gaussian Distribution)，或是 近似朗柏表面(Lambertian Surface)之COS函數分布。 光通平台
BTDF及BVDF量測示意圖
我們可在任意的角度 上量測對應的BSDF值， 則我們就可區分光散 射元件之散射能力。
光散射片為體散射之材質
定義：
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不同角度之平行光入射擴散板之散射分析
不同角度之平行光入射陣列透鏡光散射片示意圖
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入射角與穿透率的關係
垂直正向入射
當入射光之入射角增加時，穿透率隨之下降
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入射光偏移角度
不同散角角度量測度
當入射光之入射角增加時，穿透率隨之下降
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入射光 散射光
當平行光入射光散射片之角度慢慢增加時，則發散光也會隨著入射光 線偏斜，則光形及散角分布也會產生不對稱的情況，且穿透效率也會 隨之下降。
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參考文獻
1. 光學散射元件的設計與應用之研究 2. 光學擴散板光學模型之研究
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