光散射

光散射

1光散射产生的机理

如果媒质的均匀性遭到破坏，即尺度达到波长数量级的邻近媒质小块

之间在光学性质上（如折射率）有较大差异，在光波作用下，它们将

成为强度差别较大的次波源，而且从它们到空间各点已有不可忽略的

光程差，这些次波相干叠加的结果，光场中的强度分布将与上述均匀

媒质情形有所不同，这时，除了按几何光学规律传播的光线外，其他

方向或多或少也有光线存有，这就是散射光，即产生了散射。对于不

均匀形态较大的媒质，光散射也可看作是反射和折射的综合结果。

散射光强除了与入射光的波长、散射角相关外，还与散射体材料的折

射率（N）和机体材料的折射率相关。目前，关于散射光强的计算理论，发展还不十分完善。

计算散射光强，最简单的近似理论为Rayleigh-Gans-Debye(RGD)理论。对于半径较大或折射率较大的粒子，要用Mie理论来计算光强。如果

粒子达到Mie理论不适用时，就要用传统的射线光学来处理。下面的

公式可以用于聚合物光散射材料散射光强的近似计算：

Iv=KI0R3π3λ0-4(n2B-n2)［1+（8/3）2R2υ2sin2(θ/2)］-2

式中，K为常数，υ=2π/λ，λ为光在介质中的波长，λ0为光在真空中的波长，θ为光散射角，n是介质的平均折射率：n=nAVA+nBVB。

2光散射材料的分类

根据散射机理的不同可以将光散射材料分为：面散射材料和体散射材料。

传统的光散射材料大多为面散射材料，采用面散射机理，即将透明板

材或其它形状制品的一个表面(一般为内表面)打磨，涂层或将其成型

模具的相对应面做喷砂或刻痕处理，利用它们粗糙的表面来产生光散

射。这种材料的一个显著缺点是：它不能较好地兼顾材料的光散射性

和透明性，综合性能较差。因而大大限制了它的应用范围。

体散射材料多为分散有光散射体的透明合成材料，起散射作用的散射

体的尺寸等于或大于可见光波长。这种材料应用了整体散射机理：即

材料的内部与表面均起散射作用，能够很好地克服面散射所固有的弱点，制品具有高的光散射性，较好的透明性及优异的综合性能。目前，它已成为一种新型的背光源材料，逐渐在很多领域取代了传统光散射

材料，并进一步扩展了新的应用领域如液晶显示等。

另外，还有一种体-面散射材料，由产生体散射的基板和涂覆在基板

上的能够产生面散射的表面组成，即将消光颗粒与涂料共混，涂覆在

基板表面，利用涂层的收缩形成表面微结构，同时消光颗粒导致了涂

层的光学非均一性，产生光散射。

3光散射材料的制备

3.1面散射材料的制备方法

通过对透明的基体材料表面进行磨砂处理，或利用特殊的成型模具或

浮雕辊得到浮雕或喷砂效果的表面，利用材料表面的粗糙度得到散射

效果；也有以表面凸凹起伏的高分子材料制备，巧妙设计表面的波纹

实现材料的散射效应。面散射材料的制备方法存有着显著的缺点：一

方面，散射光的量取决于刻痕和划痕等的数量及分布，使散射发生的

不均匀，另一方面折射率和透光率不易控制。

3.2体散射材料的制备方法

体散射材料的制备方法大致分为两种：聚合法和共混法。

3.2.1聚合法

利用折光率有一定差异、相容性不太好的聚合物单体共聚合或采用分

段聚合来制备光散射材料。具体又可分为以下几种情况：

①将一种单体混合分散于透明的基体中，使单体聚合，生成的聚合物

作为散射体，其折射率不同于透明基体的折射率，因而入射光产生光

散射。

②将一种单体混合分散于一种透明材料中，使单体聚合，生成的聚合

物作为基体，其折射率不同于透明材料，进而材料产生光散射。

③散射体材料是无机粒子或有机粒子，将散射体粒子分散于基体单体中，使单体聚合生成聚合物基体。

ISHIHARADAM等人以玻璃转化温度低于室温的弹性体橡胶为基体材料，以折射率不同于基体的透明材料（可以是无机粒子或有机物）为散射体，通过聚合法制备了一种光散射材料，广泛应用于照明装置，也可

以作为灯箱广告牌的面光源，还可以与透光管和光波导管联用。因为

基体的玻璃转化温度低于室温，所以材料在室温下即可操作加工。华

南理工大学高峰等人，以不同分子量的聚苯乙烯作为散射材料，将其

溶解在甲基丙烯酸甲酯中，通过原位聚合法制备了光散射材料，研究

发现PS作为散射体分布在基体PMMA中能够产生散射，PS的分子量要

高于临界分子量43900。当聚苯乙烯分子量大于43900，且其质量分数

为0.20%-0.3%时散射板性能最优，透光率为73.0%，雾度为74.7%。

近年来，纳米粒子掺杂有机玻璃制备新型复合材料广受关注。张启卫

等人通过原位聚合和同步溶胶-凝胶过程制备了PMMA/SiO2杂化材料，

研究表明该材料有机/无机两相间的相容性好，材料的透明性好，透光

率可达80%左右。清华大学钱志勇等人以纳米Al2O3、SiO2和CaO颗粒,采用三种不同粒度的纳米颗粒利用在位分散法制备了以PMMA为基体的

复合光散射材料，成功用于平板显示。其研究指出：因为微粒的散射

和纳米粒子的结构特点，随着纳米粒子粒度的减小,复合材料样品板亮

度增加,视角变大,整体光学性能变得优异。中国专利03127636.9提供

了一种纳米硅改性有机玻璃光散射材料及制备方法。该方法先将纳米SiO2粉末通过高频超声波震荡混入MMA单体中，使其呈乳白色半透明状，加入引发剂及其他组分真空脱气后在90℃预聚合，冷却灌浆入模