什麼是光散射？
光散射的定義
光散射是指光線與含有粒子的介質，或含有缺陷或結構的不同介質之間的邊界相互作用時的行為方式。這與折射效應不同，折射是指光線從一種介質穿過另一種介質時折射率發生變化；也與反射不同，反射是指光線反射回同一介質，這兩種效應都遵循斯涅爾定律。
諸如表面的性質、紋理或特定結構，以及光線傳播所經過的氣體、液體或固體顆粒的存在，都可能導致光散射。光線本身的性質 — 其波長和偏振態 — 也會導致光散射。這通常會產生漫射光，並可能影響顏色的分散。
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造成光散射的原因是什麼？
表面散射發生在微米和奈米尺度的表面不連續性和粗糙特徵改變光線行為時。根據其尺寸，表面上的凸起、孔洞和其他幾何特徵可能會導致幾何散射，因為如果結構小於與其相互作用的光線波長的 10 倍，光線就會被反射、折射、偏振或繞射。塗料（例如油漆、塗層）以及污染物等其他沉積物，即使非常薄或分佈稀疏，也可能因其性質而改變光線的行為。
體積散射發生在光線穿過含有顆粒的材料時，這些顆粒會散射光線，因為它們具有反射性或折射性。這些顆粒可以是主動或被動的，它們在材料內部以特定的角度分佈吸收或以較低能量水平重新發射光線，並且它們在整個介質中的尺寸和濃度各不相同。
圖 1. 鬼影範例：使用手機相機拍攝的照片，清楚顯示三個清晰聚焦的蠟燭火焰鬼影。此外，還有第四個延伸鬼影，其中心位於中間的清晰鬼影上。
圖 2. 鬼影範例：單一鬼影路徑的循序光線追蹤。視野中物體的光線穿過鏡頭，在右側的偵測器上形成影像。然後，偵測器將部分光線反射回鏡頭。其中一個鏡頭表面再將光線反射回偵測器上的不同位置。這個鬼影之所以引人關注，是因為鬼影光線幾乎聚焦在偵測器上，這將導致鬼影比光線分散在更大區域時更亮。
為何光散射在光學設計中會造成問題？
雖然光散射可用於許多照明應用，但對於成像應用而言，它也可能是一個問題。表面可能會以一種方式散射光線，為光線返回光學系統創造額外路徑，從而在最終影像上產生稱為鬼影的視覺偽影。機械外殼也可能導致系統內產生不必要的散射。追蹤散射事件的照明光線追蹤應用，可以解釋這種不必要的散射。
有哪些實際的光學設計案例，是仰賴於將光散射降至最低？
各種相機系統都仰賴光學設計來產生優質、清晰的影像，同時也要確保沒有鬼影。鏡頭越複雜，考量並消除光散射就越重要。
在成像設計軟體工具中建立光學系統後，設計人員可以在照明設計工具中分析設計，以識別到達影像的可能路徑，並量化它們影響影像品質的可能性。為了消除額外路徑而不影響系統的整體性能，您可能需要對主要設計進行更改，但您也可以透過對已內建的擋板結構進行微小修改，來實現顯著改進並清理最終影像。
您需要什麼來分析和最小化光散射？
當使用擋板等結構來最小化鬼影時，對系統進行光線追蹤以執行雜散光分析，有助於消除設計中的影像視覺偽影。為此，您可以使用提供光線路徑分析的照明設計軟體，該軟體可追蹤光線在成像系統中可能採取的每個路徑，並考量設計中的每個結構，包括系統的機械外殼。該軟體可以查看所產生鬼影的功率級別，精確找出它們的來源，並使設計人員能夠手動或使用最佳化技術來消除產生鬼影的表面或創建具有相同效果的結構。
如何量測光散射？
您可以使用散射計來量測光散射，散射計可從一個或多個光源發射到表面或介質中，進行 2D 或 3D 量測，並記錄反射和/或透射光的角度分佈（強度）。您可以透過多種方式記錄結果，但一種常見的方法是將反射光記錄為雙向反射分佈函數 (BRDF)，將透射光記錄為雙向透射分佈函數 (BTDF)。這兩個函數共同構成了 雙向散射分佈函數 (BSDF)。
根據量測方法，您可以使用此函數來定義表面、介質或兩者組合的光散射。根據所量測樣本的性質，您還可以區分兩者中哪一個是散射效應的主要貢獻者。完成量測後，您可以為材料或表面的散射剖面建立數學擬合，並將其用於模擬中。
如何模擬光散射？
Keysight 模擬軟體產品 LightTools 和 LucidShape 提供使用光散射量測檔案以及建模散射效應的功能。根據散射效應的性質元素，您可以使用 Harvey-Shack、ABg、高斯、朗伯和內插角度分佈模型等數學模型來模擬表面散射的光分佈。您可以使用米氏理論、Henyey-Greenstein 或 Gegenbauer 方法以及其他幾種數學模型來模擬體積散射粒子。梯度材料也可能導致明顯的散射效應，即使這是材料中折射率逐漸變化的結果，具體取決於材料變化的位置。
結合最佳化功能和光線路徑、接收器濾波以及 進階物理模組 中的功能，LightTools 可以精確模擬雜散光分析中的光散射效應，而散射研究在此至關重要。在 LucidShape 中，您可以使用光散射數據來設計時尚的汽車照明系統，並提供符合嚴格法規的準確性和功能性。
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