光的組織特性 光的散射之米氏定律

1. 光的組織特性光的散射之米氏定律 課程名稱：生醫光電原理與應用 指導老師：杜翌群老師 組別：第一組 組長：王昱凱 (學號：49827044) 組員：董嘉浤 (學號：49827015) 組員：簡麗紋 (學號：49827041) 組長：王士瑋 (學號：49827046)

2. 大綱 一、散射的一般概念 • 散射定律 • 散射 • 產生的原因 • 散射現像分類 • 與直射、反射、折射的區別 • 與漫射的區別 二、瑞利散射 • 瑞利的實驗結果 • 瑞利散射定律

3. 大綱（續） • 三、米氏散射 • 結論 • 四、相關應用 • 五、組員工作分配表 • 六、參考文獻

4. 簡述翻譯 • 米氏散射定律是特別為球面的粒子開發 • 而把球狀物體光的發散稱之為米氏定律 • 原理適用於任何大小的波長比 • 當要和中間範圍的波長比大小時 • 在瑞利值和幾何近似值都不是有效的情況下，就要使用米氏定律

5. (圖A) 將細胞組成構造視為四散的組織，在米氏定律時，細胞的散射光和細胞器 和細胞膜可以視為瑞利散射

6. (圖B) 瑞利散射的角度相依性，非偏振光的瑞利散射分布區域與角度相同。

7. 一、散射的一般概念 • 光散射 • 光束通過光學性質不均勻的介質時 • 其能量將向整個空間立體角內散開 • 在垂直於傳播方向上的強度不為0

8. 一、散射的一般概念 • 散射定律 • 意義 • 介質因散射和吸收對透射光強的減弱具有類似的規律 （αs：散射系数）

9. 一、散射的一般概念 • 散射產生的原因 • 物質中的雜質微粒或不規則排列的物質微粒 • 在光波作用下產生受迫振動，進而產生次級輻射 • 彼此間無固定的相位關係 • 各微粒所發出的次波在空間各點發生非相干疊加，形成散射光

10. 一、散射的一般概念 • 散射現像分類 • 散射光波量變化而波長不變化 • 瑞利散射 • 米氏散射 • 分子散射 • 散射光波和波長同時變化 • 拉曼散射 • 布裡淵（Brillouin）散射

11. 一、散射的一般概念 出處：http://www.youtube.com/watch?v=5tWmI-6FUCY

12. 一、散射的一般概念 • 雷射光的反射與折射 出處：http://www.youtube.com/watch?v=49BeHeCCsk4

13. 一、散射的一般概念 • 反射和折射定律成立條件 • 介質的分界面或表面必須為光滑面 • 現實情形 • 任何介質的表面都不可能是一個理想光滑的幾何面 • 由於分子的熱運動，其表面的微觀結構還處於不斷的變化中

14. 一、散射的一般概念 • 散射與直射、反射、折射的區別 • 直射、反射及折射 • 定向性 • 遵守直線傳播、反射及折射定律 • 散射 • 無定向性，遵守統計規律

15. 一、散射的一般概念 • 散射與直射、反射、折射的區別 • 表面上不規則區域的大小遠小於光波長時 • 不規則性可忽略 • 該表面可視為光學光滑表面 • 光波在其上將發生反射或折射 • 表面上不規則區域的大小僅略小於波長或與之大小相當時 • 不規則性不能忽略 • 該表面被視為光學粗糙表面 • 導致入射光波發生散射

16. 一、散射的一般概念 • 散射與漫射的區別 • 漫射產生於一般物體的表面 • 例： • 牆壁 • 地面 • 人體皮膚 • 微觀上看可視為許多方位隨機分佈而大小遠大於波長的微小鏡面的集合

17. 一、散射的一般概念 • 散射與漫射的區別 • 每一個微小鏡面 • 非均勻區域的大小遠小於光波長 • 鏡面的幾何大小卻又遠大於光波長 • 方位取向隨機排列 • 每個微小鏡面均對入射光產生定向反射或折射

18. 二、瑞利散射 • 瑞利散射定律 • 當散射微粒的幾何大小遠小於波長時，散射過程不改變入射光的波長 • 散射光的強度隨入射光的波長不同而不同 • 若入射光譜強度分佈函數為I(λ)，其側向散射光的譜強度分佈反比於λ4

19. 二、瑞利散射 • 瑞利的實驗結果 • 實驗：平行自然白光入射於牛奶與水的混合液中 圖(一)瑞利散射實驗 正側向（x方向）散射光：青藍色——短波成分居多 平行向（z方向）透射光：偏紅色——長波成分居多

20. 二、瑞利散射 • 單色平行自然光入射時 • 透射光或其反方向：自然光 • 正側向（x方向）：振動面垂直於透射光方向的平面偏振光 • 其他方向：部分偏振光 • 散射光强度： （：散射光方向）

21. 二、瑞利散射 • 平面偏振光入射時 • 各向散射光：平面偏振光 • 散射光强度： （：散射光方向） 圖(二) 當自然光入射

22. 二、瑞利散射 • 可以較好地解釋瑞利的實驗結果以及大氣的散射現象 • 由於散射光強度反比於波長的四次方短波較長波更容易引起散射 • 長波比短波有較強的穿透力 • 要求散射微粒的大小小於光波波長，當散射微粒的大小接近或大於光波波長時

23. 三、米氏散射 • Mie scattering calculated on GPU 出處：http://www.youtube.com/watch?v=lvcQVySYcn4

24. 三、米氏散射 • 米氏散射 • 米氏根據電磁場方程對平面波照射球形粒子時的散射過程 • 結論 • 散射粒子的橫向幾何大小與入射光波長之比很小時（α/λ<0.1） • 散射光強與入射光波長的關係服從瑞利散射定律 • 當該比值較大（α /λ≈0.1～10）時，散射光強與波長的依賴關係逐漸減弱

25. 三、米氏散射 • 當該比值增大到一定程度後，散射光強隨該比值的增大出現起伏 • 即交替達到極大值和極小值 • 這種起伏的幅度亦隨該比值的增大而逐漸減小 • 對於足夠大的粒子，（α /λ>10），散射光強基本上與波長無關 • 此時的散射稱為大粒子散射，可看作是米氏散射的極限狀態

26. 三、米氏散射

27. 四、相關應用 • Measurement of synthetic diamond powder using both Mie and Fraunhofer

28. 四、相關應用 • Measurement of calcium carbonate using Mie and Fraunhofer

29. 四、相關應用 • From left to right the glasses contain • Water • Water and vitamin B2 • Water and protein • Water and fat • Skimmed milk • Regular milk • Whole milk

30. 四、相關應用 • The Stanford dragon model rendered using different types of ice

31. 四、相關應用 • A blue iceberg at noon turns green in the evening

32. 四、相關應用 • MATLAB code for Mie theory 出處：http://omlc.ogi.edu/software/mie/

33. 四、相關應用 • 觸控面板與觸控IC 技術 出處：https://www.google.com.tw/search?hl=zh-TW&site=imghp&tbm=isch&source=hp&biw=1108&bih=805&q=%E8%A7%B8%E6%8E%A7%E9%9D%A2%E6%9D%BF%E8%88%87%E8%A7%B8%E6%8E%A7IC&oq=%E8%A7%B8%E6%8E%A7%E9%9D%A2%E6%9D%BF%E8%88%87%E8%A7%B8%E6%8E%A7IC&gs_l=img.12...0.0.0.1202.0.0.0.0.0.0.0.0..0.0...0.0...1ac..11.img.zdpvHDZ4beo

34. 四、相關應用 • 海洋流場向量模擬 出處：國家實驗研究院海洋中心 http://www.youtube.com/watch?v=orjUumdUOTY

35. 六、組員工作分配表 • 王昱凱：文獻探討、PPT製作 • 董嘉浤：光的散射之米氏定律應用、報告者 • 簡麗紋：資料彙整、翻譯文章 • 王士瑋：資料收集、資料彙整

36. 七、參考文獻 • 1. http://wenku.baidu.com/view/6508c462caaedd3383c4d38a.html • (百度文庫) • 2.http://art.tze.cn/Refbook/entry.aspx?bi=m.20080213-m300-w001-053&ei=5EE15F C2740914DF4051EEFCC1055ACA3B24CCE53D93AF91307B3EA4C45AEBF250FF0C0663AE823A&url=hiddenShowUrl&cult=TW&Token=993F05674D0A24AAEE637DA23AA3B8A5 (工具書庫) • 3. http://www.youtube.com/watch?v=lvcQVySYcn • 4. http://omlc.ogi.edu/software/mie/ • 5.http://graphics.ucsd.edu/~henrik/papers/lorenz_mie_theory/computing_scattering_properties_using_lorenz_mie_theory.pdf