复合聚合物纤维的制作方法

专利名称：：复合聚合物纤维的制作方法
技术领域：
：本发明涉及聚合物纤维，更具体地说，本发明涉及形成为光子晶体的海岛型聚合物纤维。
背景技术：
：光子晶体装置具有在多种结构中控制光的潜力。例如，人们已经通过构造具有以特定的图案形式排布的一系列纵孔的玻璃光纤来形成光子晶体光纤，其中所述图案对光沿着光纤的传播提供限制作用。然而，光子晶体装置迄今尚未大量投入市场。其中的一个原因就是很难制造光子晶体光纤，从而导致这些装置价格昂贵。发明概述本发明的一个实施方案涉及一种复合聚合物纤维，该复合聚合物纤维包含聚合物填充材料和多根设置在所述填充材料内的聚合物散射纤维。该散射纤维的纵轴基本上平行于所述复合聚合物纤维的纵轴。所述填充材料和所述散射纤维中的至少一种由双折射材料形成，对于以第一偏振态入射在所述复合聚合物纤维上的光来说，所述填充材料和所述散射纤维的折射率基本上匹配，而对于以垂直于所述第一偏振态的第二偏振态入射在所述复合聚合物纤维上的光来说，所述填充材料和所述散射纤维的折射率基本上不匹配。本发明的另一个实施方案涉及一种光学体，该光学体包含聚合物基质和多根设置在所述聚合物基质内的聚合物复合纤维。所述聚合物复合纤维中的至少一根包含多根位于填料内的散射纤维，该散射纤维由第一聚合物材料构成，该填料由不同于所述第一聚合物材料的第二聚合物材料构成。所述聚合物复合纤维以基本上平行于所述聚合物基质的方式排布，所述聚合物基质、所述第一聚合物材料和所述第二聚合物材料中的至少一种是双折射性的。本发明的另一个实施方案涉及一种光学体的制造方法。该方法包括挤出复合纤维，每一根复合纤维均包含多根分散在填料中的散射纤维，该散射纤维由第一聚合物构成，该填料由第二聚合物构成，该第二聚合物是可溶性的。对所述第一聚合物进行取向，以便使所述第一聚合物变为双折射性的。形成含有经过所述取向的复合纤维的纱，然后在溶剂中清洗所述的纱，以除去所述第二聚合物。形成纱的阵列，其中所述的纱的阵列具有优选的朝向。用树脂浸渍所述的纱的阵列，以及使所述树脂硬化。本发明的另一个实施方案涉及一种光学体的制造方法，该方法包括挤出复合纤维，其中每一根复合纤维均包含多根由第一聚合物构成的散射纤维。该散射纤维分散在由第二聚合物构成的填料中。所述第一聚合物和所述第二聚合物中的至少一种是可取向的。将所述复合纤维排布在一起，以及经熔结而形成熔结光学体。以上的发明概述无意描述本发明的每个示出的实施方案或者每种实施方式。下述附图和发明详述更详细地示例出这些实施方案。附图简要说明结合附图考虑以下对本发明的多个实施方案所做的详细描述可以更全面地理解本发明，其中-图1示意性地示出根据本发明的包含聚合物纤维的光学元件；图2A-2K示意性地示出根据本发明原理的复合纤维的多种实施方案的剖视图；图3A-3I示意性地示出根据本发明原理的复合纤维的多种额外的实施方案的剖视图；图3J-3M示意性地示出根据本发明原理的复合纤维的更多实施方案的剖视图，所述剖视图示出散射纤维的横截面尺寸沿着所述散射纤维的变化情况；图4是示出光散射效率与散射纤维半径的函数关系的图；图5示意性地示出根据本发明原理的、所含散射纤维具有皮芯结构的复合纤维实施方案；图6示意性地示出根据本发明原理的复合纤维纱的实施方案；图7A-7E示意性地示出根据本发明原理的、包含复合纤维的光学元件实施方案的剖视图；图7F-7J示意性地示出根据本发明原理的、具有结构化表面的光学元件实施方案的剖视图；图8A-8D示意性地示出根据本发明原理的、包含复合纤维的光学元件的制造方法实施方案中的步骤；图9示意性地示出根据本发明原理的、可以用于复合纤维光学元件的制造方法实施方案中的复合纤维束；图IO示意性地示出根据本发明原理的、可以用于复合纤维光学元件的制造方法实施方案中的复合纤维织物；图IIA和IIB示意性地示出根据本发明原理的、可以用于复合纤维光学元件中的复合纤维织物的实施方案的剖视图；图12A和12B示意性地示出根据本发明原理的、将多根复合纤维熔结以形成熔结复合纤维光学元件的步骤的实施方案；以及图13是共挤出的复合纤维在拉伸前的横截面照片。虽然本发明可以有各种修改和替代形式，但是在附图中以实例的形式示出了本发明的细节，并且在下面将进行详细说明。然而，应该理解，其意图并非将本发明限定于所述的具体实施方案。相反，其意图在于包括由所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同形式和替代形式。发明详述本发明适用于光学系统，更具体地说，本发明适用于控制和使用偏振光的系统。本发明涉及可以在主要由聚合物材料制备的装置内引入光子晶体结构的产品。聚合物的使用允许一种形成纤维的、由"岛"和"、海"构成的排列(有时也被称为"海岛型"结构)，其中，"岛"由一种特定类型的聚合物材料形成，"海"由另一种类型的聚合物材料形成。而且，聚合物的使用允许通过共挤出而形成其中"岛"的形状和位置精密受控的"海岛型"纤维。这种对"海岛型"纤维的控制使得二维光子晶体结构的制造相对较为便宜。另外，如果至少一种聚合物材料是双折射性的，则纤维变得对入射光的偏振很敏感。多个二维光子晶体结构可以排列在一起(例如，排列在衬垫中或密封于薄膜内)，并且被横向照射，从而，入射光会经历大面积的光子晶体效应，其中所述的光子晶体效应为每根纤维的巻积行为(convolutedbehavior)。使用本发明纤维的装置可被横向照射，而不是沿着纤维的轴被照射，这样可以使得通常认为与光子晶体装置相关的那些限制有所放松。例如，当光子晶体光纤用于纵向导光时，纤维必须要由低损耗的光学材料制备，否则光通量低。另一方面，当光子晶体光纤被横向照射时，由于光程长度相对较短，所以可以使用损耗较高的材料。在许多应用中，需要相当大的折射率比来表现出二维光子带隙效应，所述的折射率比例如为1.0到2.6的比值。然而，对入射光的波长范围和角度范围限制得越多，对折射率比的要求就越不严格，从而可以采用较小的折射率差。然而，使用双折射聚合物材料可以使得针对某一种选择的偏振态而言折射率对比度明显较高，例如，折射率差可在0.01至0.4的范围内。因此，对于相对较宽范围的入射波长和入射角，可以观察到对某一种偏振态产生光学效应，而没有明显影响其它偏振态。如本文所用，术语"镜面反射"和"镜面反射性"是指光线从物体反射时其反射角与入射角相等的情况，所述的角是相对于该物体表面的法线测量的。换言之，当光线以特定的角度分布入射到物体上时，其反射光线基本具有相同的角度分布。术语"漫反射"或者"漫反射性"是指一些反射光线的角度与入射光线的角度不相等的这种光线反射情况。因此，当光以特定的角度分布入射到物体上时，反射光的角度分布与入射光的角度分布不同。术语"全反射性"或者"全反射"是指全部光线的反射，包括镜面反射和漫反射之和的情况。相类似的是，本文所用的术语"镜面透射"和"镜面透射性"是指光线透过物体的一种透射情况，其中透射光线的角度分布基本与入射光线的角度分布相同。采用术语"漫透射"和"漫透射性"描述光线透过物体的一种透射情况，其中透射光线的角度分布与入射光线的角度分布不同。术语"全透射"或者"全透射性"是指全部光线的透射，包括镜面透射和漫透射之和的情况。图1示意性地示出根据本发明的示例性实施方案的光学元件100的部分切除视图。光学元件100包含聚合物基质102，其也被称为连续相。所述的聚合物基质可以是光学各向同性的也可以是光学双折射的。例如，所述的聚合物基质可以是单轴双折射的或双轴双折射的，也就是说，聚合物在某一方向上的折射率可以与其它的不同，而在两个正交的方向上折射率相似(单轴双折射)，或者在所有三个正交的方向上折射率都不相同(双轴双折射)。复合聚合物纤维104被设置在基质102内。复合聚合物纤维104包含至少两种材料。聚合物纤维104可以以单根纤维的形式(如图所示)或者许多其它的排布形式被布置在基质102内。一些示例性的排布形式包括纱、在聚合物基质内沿一个方向排列的丝束(纤维束或纱束)、织物、非织造织物、短纤维、短纤维毡(具有无规或规则的形式)、或者这些形式的组合。可以对短纤维毡或非织造织物进行拉伸、使其产生应力、或者使其取向，从而使非织造织物或短纤维毡内的纤维在一定程度上对齐，而不是具有由纤维形成的无规的排布形式。在图1中已经采用了右手笛卡尔坐标，并且将纤维104设置成与x轴大致平行。下面的讨论也假定纤维的纵轴平行于x轴，但应该理解的是，这种指定是任意的，并且做这种指定仅仅是为了有助于解释本发明。在图2A中以横截面的形式示出了复合纤维200的一个示例性的实施方案。复合纤维200包含许多散射纤维202，散射纤维202被包含在填料204内。在一些实施方案中，散射纤维202或填料204中的至少一者为双折射性的。例如，在一些示例性的实施方案中，散射纤维202中的至少一些由双折射材料形成，并且填充材料204是非双折射性的。在其它的示例性实施方案中，散射纤维202是非双折射性的，而填充材料204为双折射性的。在其它实施方案中，散射纤维202和填料204都为双折射性的。在这些不同的变化形式中，每一种位于散射纤维202材料和填充材料204之间的界面都是双折射材料和另一种材料之间的界面(即，该界面是双折射界面)，并且可有助于使所选偏振态的光优选被反射和/或被散射。在这些不同的实施方案中的每一个中，嵌有复合纤维的聚合物基质可以是光学各向同性的或双折射性的。在一些其它的实施方案中，复合纤维200可以由各向同性的散射纤维202和各向同性的填充材料204构成。其中嵌有复合纤维200的基质可以为双折射性的。散射纤维材料在x方向、y方向和z方向上的折射率可以被表示为nlx、iMy和nlz，填充材料在x方向、y方向和z方向上的折射率可以被表示为nh、n2y和rih。在材料为各向同性的情况下，x方向、y方向和z方向上的折射率基本上都匹配。在材料为双折射性的情况下，x方向、y方向和z方向上的折射率中的至少一个与其它的不同。在单轴材料中，上述折射率中的两个基本上匹配，而第三个折射率与之不同。在双轴材料中，所有这三个方向上的折射率都不同。在每根复合纤维200内有多个位于散射纤维202和填料204之间的界面。在散射纤维202和填料204之间的界面所包含的形成材料中的至少一者为双折射性的情况下，这种界面可以被称为双折射界面。例如，如果散射纤维202和填料204各自在界面处具有x折射率和y折射率，而且mx^i^y，即，散射纤维材料为双折射性的，那么所述界面为双折射性的。复合纤维104通常被设置成与一个轴(如图1所示的x轴)平行。在复合纤维104内，在双折射界面处针对平行于x轴偏振的光而言的折射率差nlx-ri2x可以与针对平行于y轴偏振的光而言的折射率差iMy-i!2y不同。从而，针对某一种偏振态而言，复合纤维104中的双折射界面处的折射率差相对较小。在一些示例性的情况中，折射率差可以小于约0.05，或者可以小于0.03、小于0.02或小于0.01。这种情况被看作是折射率基本上匹配。如果这一偏振方向平行于x轴，那么x偏振光就会以很少或没有被反射或散射的状态通过物体100。换句话说，X偏振光以高度透射的方式通过物体100。另一方面，对于正交偏振态的光而言，复合纤维104中的双折射界面处的折射率差可以相对较高。在一些示例性的例子中，折射率差可以为至少约0.05，并且可以更大，例如为0.1或0.15或可以为0.2。如果这一偏振方向平行于y轴，那么y偏振光在双折射界面处被反射。因此，y偏振光被物体100反射。如果复合纤维104内的双折射界面基本上彼此平行，那么所述反射可能基本上是镜面反射。另一方面，如果复合纤维104内的双折射界面基本上彼此不平行，那么所述反射可能基本上是漫反射。双折射界面中的一些可以是平行的，并且其它的界面可以是不平行的，从而可以导致既含有镜面反射成分又含有漫反射成分的反射光。此外，双折射界面可以是弯曲的，或相对较小的，从而可以产生漫散射。虽然上述示例性实施方案涉及x方向的折射率匹配、而y方向上折射率差相对较大的情况，但是另一些示例性实施方案还包括y方向的折射率匹配、而x方向上折射率差相对较大的情况。聚合物基质102可以是基本上光学各向同性的，例如，在该聚合物基质的x方向和y方向上的折射率分别为rik和n"的情况下，其双折射率n3广n3y小于0.05，优选小于0.01。在其它的实施方案中，聚合物基质可以为双折射性的。因此，在一些实施方案中，对不同的偏振而言，聚合物基质与复合纤维材料中的一者或两者之间的折射率差可能不同。例如，x方向上的折射率差n^-n3x与y方向上的折射率差niy-ri3y可能不同。在一些实施方案中，这些折射率差中的一种可以是其它的折射率差的至少两倍大。在一些实施方案中，双折射界面的折射率差、大小和形状、以及散射纤维的相对位置可以导致入射光中的一种偏振态比其它的偏振态发生更多的漫散射。这种散射可以主要是后向散射(漫反射)、前向散射(漫透射)、或后向散射和前向散射的组合。适用于聚合物基质和/或纤维中的材料包括在所需的光波长范围内透明的热塑性聚合物和热固性聚合物。在一些实施方案中，特别有用的是，聚合物不溶于水。另外，合适的聚合物材料可以是无定形的或半结晶性的，并且可以包括均聚物、共聚物、或其共混物。聚合物材料的例子包括(但不限于)聚碳酸酯(PC);间同立构和全同立构聚苯乙烯(PS);Cl-C8垸基苯乙烯；含烷基、芳香基和脂肪族环的(甲基)丙烯酸酯，包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和PMMA共聚物；乙氧基化和丙氧基化的(甲基)丙烯酸酯；多官能(甲基)丙烯酸酯；丙烯酸酯环氧树脂；环氧树脂；和其它烯键式不饱和材料；环烯烃和环烯烃共聚物；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS);苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN);环氧树脂；聚乙烯环己烷；PMMA/聚氟乙烯共混物；聚(苯醚)合金；苯乙烯嵌段共聚物；聚酰亚胺；聚砜；聚氯乙烯；聚二甲基硅氧垸(PDMS);聚氨酯；不饱和聚酯；聚乙烯，包括低双折射聚乙烯；聚丙烯(PP);聚对苯二甲酸烷醇酯，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET);聚萘二甲酸烷醇酯，例如聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN);聚酰胺；离聚物；乙酸乙烯酯/聚乙烯共聚物；乙酸纤维素；乙酸丁酸纤维素；含氟聚合物；聚苯乙烯-聚乙烯共聚物；聚碳酸酯/脂肪族PET共混物；以及PET和PEN共聚物，包括聚烯烃PET和PEN。术语(甲基)丙烯酸酯的定义是对应的甲基丙烯酸酯或者丙烯酸酯化合物。除了间同立构PS以外，这些聚合物均可以以光学各向同性的形式使用。当进行取向后，这些聚合物中的几种可能会变成双折射性的。特别是取向后的PET、PEN、其共聚物以及液晶聚合物表现出相对较大的双折射值。可以采用不同的方法使聚合物取向，包括挤出和拉伸。拉伸是用于将聚合物取向的特别有用的方法，因为它允许高度取向并且可以通过大量容易控制的外部参数(例如温度和拉伸率)来进行控制。下表I中提供了大量取向和未取向的示例性聚合物的折射率。表I一些聚合物材料的典型的折射率值<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>PCTG和PETG(乙二醇改性的聚对苯二甲酸乙二醇酯)属于共聚酯类，例如可得自位于美国田纳西州Kingsport市的EastmanChemical公司，商标名为EastarTM。THV是四氟乙烯、六氟丙烯和偏二氟乙烯的聚合物，可得自位于美国明尼苏达州St.Paul市的3M公司，商标名为DyneonTM。PS/PMMA共聚物是一种共聚物的实例，可以通过改变共聚物中的构成单体的比率来"调整"该共聚物的折射率，以得到所需的折射率值。标为"S.R."的一列示出了拉伸率。拉伸率为1表示材料未被拉伸，因此也未取向。拉伸率为6表示样品被拉伸到原长度的6倍。如果在正确的温度条件下拉伸，聚合物分子就会被取向并且所得材料就会变为双折射的。然而，在材料的玻璃化温度Tg以上进行拉伸时有可能不会使该材料的分子取向。标为"T"的一列表示拉伸样品时的温度。拉伸后的样品被拉成了片状。标为nx、ny和&的列表示材料的折射率。在上表中，没有列出和^值的情况表示ny和&的值与nx的值相同。期望拉伸纤维时的折射率变化情况与拉伸薄片时的折射率变化情况相近，但并非必须相同。可以将聚合物纤维拉伸到任何需要的拉伸值以得到需要的折射率值。例如，可以对一些聚合物纤维进行拉伸使得拉伸率至少为3(也可以至少为6)。在一些实施方案中，可以对聚合物纤维进行更高倍数的拉伸，例如使得拉伸率髙达20，或者甚至更高。拉伸至产生双折射性时所用的合适的温度是大约为聚合物熔点(单位开尔文)的80%的温度。也可以通过在挤出和成膜过程中由聚合物熔体流动所导致的应力来产生双折射性。也可以通过与相邻表面(例如膜制品中的纤维)对准而产生双折射性。双折射可以为正的也可以为负的。正双折射被定义为这样一种情况，其中，线偏振光的电场轴方向在与聚合物的取向方向或对齐表面平行时折射率达到最大。负双折射被定义为这样一种情况，其中，线偏振光的电场轴方向在与聚合物的取向方向或对齐表面平行时折射率达到最小。正双折射聚合物的实例包括PEN和PET。负双折射聚合物的实例包括间同立构聚苯乙烯。基质102和/或复合纤维104可以具有多种添加剂，以便使光学元件具有所需的性能。例如，该添加剂可以包括下述材料中的一种或者多种抗天候老化剂、UV吸收剂、受阻胺光稳定剂、抗氧化剂、分散剂、润滑剂、抗静电剂、颜料或者染料、成核剂、阻燃剂和起泡剂。可以采用其它添加剂以改变聚合物的折射率或者提高材料的强度。这样的添加剂可以包括(例如)有机添加剂，例如聚合物小珠或颗粒、以及聚合物纳米颗粒；或者无机添加剂，例如玻璃、陶瓷或金属氧化物纳米颗粒，或者磨碎的、粉末状的、珠状的、薄片状的、纤维或微粒状的玻璃、陶瓷或者玻璃陶瓷。这些添加剂的表面可以具有用来与聚合物粘结的粘结剂。例如，可以将硅垸偶联剂与玻璃添加剂结合使用以使玻璃添加剂与聚合物粘结。在一些实施方案中，可优选的是，基质102或填料204是不可溶的，或者至少是耐溶剂的。合适的耐溶剂性材料的例子包括聚丙烯、PET和PEN。在其它的实施方案中，可优选的是，基质102或填料204可溶于有机溶剂中。例如，由聚苯乙烯形成的基质102或填料204可溶于诸如丙酮之类的有机溶剂。在其它的实施方案中，可优选的是，基质是水溶性的。例如，由聚乙酸乙烯酯形成的基质102或填料204可溶于水中。在一些光学元件的实施方案中，材料的折射率在x方向上可沿着纤维的长度改变。例如，该元件可能没有经历均匀拉伸，而是有可能在某些区域中的拉伸程度要大于在其它区域中的拉伸程度。因此，可取向材料的取向度沿着该元件是不均匀的，所以双折射也会沿着该元件在空间上发生变化。此外，将纤维引入基质中可以提高光学元件的机械性能。具体而言，一些聚合物材料(例如聚酯)的纤维形式比膜形式具有更高的强度，所以包含纤维的光学元件会比不包含纤维但大小与之相近的光学元件具有更高的强度。而且，由于基质材料和纤维材料的机械性能不同，所以，可以使光学元件的机械性能得以增强。聚合物材料的不同组合可以用于散射纤维、填充材料和聚合物基质。在一个例子中，散射纤维和填充材料都可以由各向同性材料形成。散射纤维的折射率m可以大于或小于填充材料的折射率。在另一个例子中，散射纤维可以是各向同性的，并且填充材料可以为双折射性的，例如n^^ri2y。在这种情况下，散射纤维的折射率值m可以同时低于nh禾卩n2y、与n^或ri2y近似相同、介于n^禾卩11^之间、或者同时高于nh和n2y。此外，ri2x的值可以大于n2y的值，或者，n2x的值可以小于ti2y的值。在另一个例子中，填充材料可以是各向同性的，并且散射纤维可以为双折射性的，例如n^^Wy。在这种情况下，填充材料的折射率值ti2可以同时低于1115<和nly、与n^或niy近似相同、介于n^和r^y之间、或者同时高于n^和rny。此外，nlx的值可以大于nly的值，或者，n^的值可以小于my的值。在另一个例子中，填充材料和散射纤维可以都为双折射性的，例如，nlx#nlyin2xin2y。在这种情况下，填充材料的折射率值n^和n2y中的每一个都可以同时低于nlx和nly、与n^或n,y近似相同、介于nlx和n^之间、或者同时高于n^和my。而且，rik的值可以大于或小于iMy的值，并且n^的值可以大于或小于n2y的值。可以以多种不同的方式来构造复合纤维。例如，复合纤维可以具有不同的横截面形状。在图2A中，复合纤维200具有圆形的横截面形状。在图2B和图2C所示的其它示例性实施方案中，复合纤维210和220分别具有椭圆形和正方形的横截面形状。也可以采用其它的横截面形状，例如，规则和不规则的多边形形状、或者兼具曲边和直边的横截面形状，并且不应当将本发明局限于如图所示的那些横截面形状。复合纤维的直径或其它横截面尺寸至少要大到足以包含两根或多根散射纤维的程度。对复合纤维的直径或其它横截面尺寸的上限没有限制，然而，就纤维的可加工性而言，可能会有实际限制。可任选的是，复合纤维可以具有外层206。例如，可以使用外层206来影响复合纤维和聚合物基质(复合纤维嵌入其中)之间的粘附性。在一些实施方案中，外层206可以由这样一种材料形成，该材料会增强复合纤维和聚合物基质之间的粘附性，例如该材料为聚酯树脂涂料、硅烷涂料、或其它用于增强聚合物基质和聚合物纤维之间的粘附性的底漆。在其它的实施方案中，外层206可以由这样一种材料形成，该材料会减小聚合物纤维与其周围的聚合物基质之间的粘附性，例如该材料为碳氟化合物材料、有机硅材料等。在一些实施方案中，外层206可以用来提供减反射功能，例如，通过使填料204和聚合物基质之间达到某种折射率匹配程度来实现。散射纤维202在复合纤维内的位置可以是无规的，例如，如图2A-2C所示的示例性实施方案示意性示出的那样。可以采用其它的散射纤维排列方式。例如，散射纤维202可以规则地排列于复合纤维230内，例如，如二维光子晶体结构。图2D所示的纤维230的示例性实施方案表明散射纤维202以二维阵列的方式排列，其中，相邻的散射纤维202在y方向上的间距dy与在z方向上的间距dz相同。对于沿着y方向和Z方向入射的光来说，这两种横向入射在所述复合纤维230上的光显示出相似的光谱特性。在图2E所示的复合纤维240的示例性实施方案中，散射纤维202以二维阵列的方式排列，其中，在y方向上的间距dy与在z方向上的间距A不同。对于沿着y方向和z方向入射的光来说，这两种横向入射在所述复合纤维240上的光表现出不同的光谱特性。更具体地说，z间距越大，就越容易导致沿着z方向入射的光的最大反射率波长大于沿着y方向入射的光的最大反射率波长。图2D和2E中的散射纤维202位于直角网格图案中，这种直角网格图案应理解为包括图2D中的正方形网格图案。相邻散射纤维202之间的间距可以为(例如)50nm到500nm。散射纤维202的其它规则排列方式也是可以的。例如，在图2F中以横截面的形式示意性示出的复合纤维250中，散射纤维202位于沿着y方向的行上，其中，位于相邻行中的纤维在y方向上相互偏斜。在这种具体的实施方案中，相邻行之间偏斜使得散射纤维202排列成六边形图案的形式、而不是正方形或长方形图案的形式。对于从不同方向横向入射到复合纤维250上的光而言，诸如透射和反射之类的光谱特性相对比较均匀。图2G所示的复合纤维255示意性地示出了图2F所示排列的一种变化形式，其中，最邻近的散射纤维202在一个方向上的间隔大于在其它方向上的间隔，在如图所示的具体情况中，z方向的间隔大于y方向的间隔。横向入射在复合纤维255上的光的光谱特性不如入射在复合纤维250上的光的光谱特性那样均匀。例如，z方向上的间距越大，反射光谱和透射光谱的光谱特征就越容易向长波方向移动。在其它示例性的实施方案中，散射纤维202可以形成其它图案。例如，可以将散射纤维排列成占据规则阵列中的部分而不是全部位置。此外，可以在相邻的散射纤维或者散射纤维组之间引入空隙或者间隙。可以对所述的组或者空隙和间隙的尺寸和分布加以选择，从而得到特别需要的光谱特性。例如，由散射纤维排布成的某些排列对于特定波长范围内的光可起到二维光子晶体的作用，从而可导致光谱选择性的反射和/或透射。二维光子晶体结构可表现出色移效应，其中，反射和/或透射光谱取决于光入射到复合纤维上的角度。通过控制不同区域的复合纤维的尺寸、分布和折射率，可以控制色移性能。而且，复合纤维允许随着入射角的变化来进一步控制色移性能。例如，可以使色移取决于入射光的方位角(一种与入射光的极角极为不同的方式)。之前对光子晶体光纤(PCF)所做的研究集中于围绕着光纤芯的散射点(例如纵向的孔)的周期性排列(以便沿着该光纤引导光)的使用上，其中所述的光纤例如为玻璃光纤。光被限制在光纤芯内的这种效果是由光子带隙导致的，其中光子带隙是由光纤内的孔的特定排列而引起的。光纤中的孔的不对称排列使得光纤表现出与偏振相关的波导性能。不过，重要的是，请注意这些与偏振相关的性能并不是由用于光纤中的材料的双折射性而引起的。本文所公开的复合纤维的类型、以及可由所述复合纤维形成的光学元件的类型不同于这种PCF研究中所使用的玻璃光纤。首先，所述复合纤维包含散射纤维，而玻璃PCF用孔作为散射点。另外，在一些实施方案中，复合纤维的材料包含至少一种双折射材料，而现有的PCF仅仅含有各向同性的材料。此外，在一些实施方案中，在复合纤维的横截面中散射纤维的密度可以是相对比较均匀的，并且散射纤维位于基本上分布在复合纤维的整个横截面中的位置上。散射纤维的总横截面面积可以占复合纤维横截面面积的约1%至95%(优选为10%至90%、更优选为10%至50%)。在整个复合纤维中填充比不必相同。然而，现有的PCF中的散射点通常都集中在光纤中心的芯的周围，而大片围绕该光纤芯的区域都没有散射点。因此，对于现有的PCF来说，散射点的横截面面积在PCF的总横截面面积中仅占较小的比例。可以使用已知的方法来选择散射纤维在复合纤维内的特定排列方式，以提供与使用该复合纤维的光学元件的反射和透射相应的特定光谱。现在描述复合纤维的另外一些示例性的实施方案，这些实施方案示出了可能的散射纤维排列方式的部分选择。在图2H示意性示出的示例性实施方案复合纤维260中，一些散射纤维202规则地排列于纤维260的中心周围的区域中，但是纤维260的中心部分没有散射纤维。在图2I示意性示出的另一个例子复合纤维265中，散射纤维202排列成同心环206。散射纤维202的尺寸以及间隙和/或同心环的尺寸可以根据具体的光学性能(例如，透射和/或反射)来选择。在图2I所示的例子中，所示的散射纤维位于由六边形网格确定的位置上。这并非是必要的条件，散射纤维202也可以形成径向同心图案，例如如图2J示意性示出的那样。在一些实施方案中，并不是所有的散射纤维202都必须具有相同的尺寸。例如，如图2J和2K所示的实施方案复合纤维270和275所示，复合纤维可以包含横截面尺寸不同的散射纤维。在这些具体的实施方案中，散射纤维202a的横截面相对较大，散射纤维202b的横截面相对较小。散射纤维202可以被分成至少两个尺寸不同的组，实际上，所有散射纤维202的尺寸可以都不相同。此外，散射纤维202可以位于复合纤维的中心(例如，如图2I中所示)，或者复合纤维的中心可以没有散射纤维202:例如，在图2J中，散射纤维202a位于复合纤维270的周围，而不是位于复合纤维270的中心。实际上，散射纤维202的尺寸可以落入一个范围内，而不是只取单一的值。如上面所讨论，复合纤维不必一定为圆形，其可以具有非圆形的横截面。在附图中，图3A和图3B示出非圆形复合纤维300和310，复合纤维300和310分别含有正方形图案和六边形图案的散射纤维202。上述非圆形纤维可以包含位于规则网格图案的点上的散射纤维202，但不是网格图案上的所有的点都必须与散射纤维202相关联。例如，图3C示意性示出的非圆形复合纤维320包含位于六边形网格上的散射纤维202，但是在散射纤维之间可以有一些间隙312。散射纤维202的这种特定排列没有对称轴。图3D和3E示意性地示出其它示例性的实施方案非圆形复合纤维330、340。这些示例性的非圆形复合纤维330、340具有正方形的横截面，并且包含排列成不同的示例性图案的散射纤维202。复合纤维330中的散射纤维202排列成六边形网格图案，而复合纤维340中的散射纤维202排列成正方形网格图案。在每一种情况中，在散射纤维202的排列内都有间隙。本发明的范围旨在涵盖散射纤维在复合纤维内的所有的排列形式。在一些示例性的排列形式中，可以设定散射纤维的相对位置、散射纤维的尺寸、以及散射纤维与填充材料之间的折射率差，使得复合纤维具有所需的光谱选择性。这种光谱选择性的实例包括(但不局限于)反射和透射。在复合纤维的一些实施方案中，散射纤维在横截面中的位置可以引起入射光的非相干散射。在另一些实施方案中，散射纤维的位置可以引起散射光的相干效应，从而得到光子晶体特性。散射纤维在复合纤维内的平均密度可以涵盖较大的范围，例如，散射纤维在复合纤维的横截面面积中所占的分数可以在上文所述的范围内，即1%至95%,优选为10%至90%,更优选为10%至50%,但是散射纤维的密度也可以超出这些范围。散射纤维202的尺寸会对散射产生显著的影响。图4示出散射效率(归一化的成比例的光学厚度(normalized,scaledopticalthickness)(NSOT))与散射纤维平均半径的函数关系曲线。NSOT值由下式给出-NSOT=t(l-g)/(tf)其中t是光学厚度并且等于tk，其中k是每单位体积的消光横截面(消光平均自由程的倒数)，t是散射体的厚度，f是散射体的体积分数，g是非对称参数。对于纯前向散射来说，g值为+l，对于纯后向散射来说，g值为-l，对于前向散射和后向散射相等的情况来说，g值为0。用于得到上述曲线的计算假定入射光在真空中的波长为550nm。由图可见，散射效率峰值在半径为大约150nm处，并且在半径为大约50nm到lOOOrmi的范围处散射效率值大约为最大值的一半。散射纤维可以具有任意所需的横截面尺寸，但是对于其波长以大约550nm为中心的光来说，横截面尺寸可以在大约50nm到大约2000nm的范围内，更为优选的是在大约lOOnm到大约lOOOnm的范围内。当散射纤维具有近似为圆形的横截面时，其横截面尺寸就是直径，而对于具有非圆形横截面的散射纤维来说，可以取该纤维的宽度作为其横截面尺寸。当复合纤维被用于入射光波长在可见光谱范围之外(例如在紫外线区域或者红外线区域)的应用中的时候，散射纤维的尺寸可能有所不同。通常，散射纤维横截面尺寸的优选范围为大约到大约4X，其中人为光在真空中的波长。当光的波长在某一范围内时，可以取该波长范围的中间值作为入值，但是复合纤维也可以设置有具有一定的尺寸范围的散射纤维。如果散射纤维太细，例如小于复合纤维内的光波长的大约1/30，或者针对真空中波长为550nm的光而言小于大约0.012^mi，并且如果散射纤维的密度足够大，例如在复合纤维体积的大约60%-80%的范围内，那么这一光学元件可以作为具有有效折射率的介质，其中沿任意给定轴该有效折射率大致介于散射纤维的折射率和填料的折射率之间。在这种情况下，几乎没有光被散射。当散射纤维的横截面大小变得比光波长大很多时，例如当变为波长的至少3倍或者更多倍时，散射效率会变得很低并且会产生彩虹色效应。散射纤维的横截面尺寸会随着光学材料的所需用途而改变。这样，例如，散射纤维的尺寸可随着具体应用中所关注的光波长而改变，其中，需要不同的尺寸来散射或者透射可见光、紫外光和红外光。然而，散射纤维的尺寸通常应当大约高于上述材料中的、所关注的波长范围内的光的最小波长的约1/30。就理想的尺寸范围的上限而言，散射纤维的平均尺寸优选为等于或者小于上述材料中的、所关注的波长范围内的光的波长的两倍，并且优选为小于所需波长的0.5倍。散射纤维在复合纤维内的密度会影响发生散射的量。散射纤维之间的中心距为约人/10至约2X可能是有用的，其中，X是入射光在真空中的中值波长或平均波长。散射纤维的横截面可以是圆形的，但并非必须为圆形的，而是可以具有其它的横截面形状。在图3F中以横截面的形式示意性示出的示例性复合纤维350中，散射纤维352具有正方形的横截面。可以采用其它横截面形状，例如规则和不规则的多边形，例如三角形、长方形或六边形、或者兼具曲边和直边的横截面形状。本发明不应局限于具有附图中所示的这些横截面形状的散射纤维。当散射纤维之间的中心距不相等时，采用具有非圆形横截面的散射纤维是有用的，因为这样可以使散射纤维在复合纤维的横截面面积中占更高的比例。例如，如果散射纤维排列成长方形网格并且其y方向上的中心距是Z方向上的中心距的两倍，那么如果该散射纤维具有椭圆形的横截面、并且其y方向上的长度是z方向上的长度的两倍，则与散射纤维为圆形的情况相比，这种椭圆形横截面的散射纤维会在复合纤维的横截面中占据更多的面积。图3G-3I示意性示出具有非圆形横截面的散射纤维的另一些示例性的排列。非圆形散射纤维可以被排布成使得它们的横截面形状沿随机方向排列。在另一些实施方案中，散射纤维的横截面可以相互对齐。例如，图3G中，复合纤维360由嵌有散射纤维362的填料204形成，其中散射纤维362具有椭圆形的横截面。在这个具体的实施方案中，散射纤维362以它们的横截面椭圆的长轴与y轴平行的方式对齐。散射纤维的横截面形状可以通过挤出模具的形状来形成，也可以通过在挤出后对光学元件进行后加工而形成。散射纤维不必排列成使得它们的横截面都对齐，而是不同的散射纤维可以在复合纤维内具有不同的对齐方式。在图3H示意性示出的示例性实施方案复合纤维370中，散射纤维372具有椭圆形的横截面，其中一些纤维372a被排列成使得它们的长轴与z轴平行，而另一些纤维372b被排列成使得它们的短轴与z轴平行。在上述每一个方向上分别有大约一半的散射纤维372是对齐的。此外，纤维372a组和纤维372b组在复合纤维370的横截面内规则排列。可以理解的是，纤维372a组和纤维372b组也可在复合纤维370的横截面内不规则排列。所示的实施方案可以有另一些变化形式。例如，不是所有的散射纤维都必须具有相同的横截面形状、尺寸或排列方式。此外，可以将散射纤维的横截面对齐以在复合纤维内形成图案。图3I示意性地示出这种复合纤维380的一个具体实例。填料204中嵌入了具有两种不同的横截面形状的散射纤维，即，椭圆形纤维382和圆形纤维384。在所示的实施方案中，椭圆形纤维382以这样一种方式排列，该方式为使得它们的横截面椭圆的短轴朝向与之最接近的圆形纤维384。可以采用其它的散射纤维图案。当散射纤维可以以不加捻的方式位于复合纤维内，从而使得散射纤维的某一个表面沿散射纤维的长度一直朝向复合纤维的某一个表面。在另一些示例性的实施方案中，散射纤维可以以加捻的方式位于复合纤维内，从而，该散射纤维的某一个表面在沿着该散射纤维长度上的不同部位处会朝向复合纤维的不同表面。虽然折射率失配是促进复合纤维内与偏振相关的散射的主要依赖因素，但复合纤维的横截面形状也会影响散射。例如，当散射纤维的横截面是椭圆形时，椭圆形的横截面形状可能会造成后向散射光和前向散射光的非对称漫射。该效应可能会增加或者降低由折射率失配而导致的散射量。此外，在沿着散射纤维的长度方向上该散射纤维的横截面尺寸可以相同，或者在沿着散射纤维的长度方向上的不同位置处该散射纤维的横截面尺寸可以不同。这种变化的例子示意性地示于图3J-3M中，图3J-3M示出了复合纤维在x-y平面上的纵截面视图。在图3J所示的实施方案中，复合纤维400包含嵌入基质402中的散射纤维404。在该具体实施方案中，散射纤维404具有横截面尺寸相对较小的区域406和横截面尺寸相对较大的区域408。可以通过(例如)在共挤出复合纤维400时暂时减小或增大施加于散射纤维聚合物上的压力来产生所述的区域406、408。在图3K示意性示出的另一实施方案中，复合纤维410包括位于基质412内的散射纤维414，其中散射纤维414的横截面宽度在一些区域416中减小至零。可通过在共挤出过程中更多地减小施加于散射纤维聚合物上的压力来达到这种效果。并非所有的散射纤维都必须以相同的方式来改变横截面尺寸。例如，图3L和图3M分别示出与图3J和图3K所示的横截面相似的横截面，但其中一些散射纤维404a、414a的横截面尺寸不变，而另一些散射纤维404b、414b的横截面尺寸发生变化。一些散射纤维404b、414b的这种变化可以通过(例如)为散射纤维聚合物提供两个与共挤出供料块(feedblock)相连的进料装置来实现。其中一个进料装置受到恒定的压力以形成横截面恒定的散射纤维404a、414a，而另一个进料装置则受到变化的压力以形成横截面变化的散射纤维404b、414b。在一些实施方案中，散射纤维可以具有皮芯结构。图5示意性地示出了示例性实施方案复合纤维500，其包含形成有皮芯结构的散射纤维502。在这个实施方案中，复合纤维500具有外层506，并且散射纤维502嵌入填料504内。散射纤维502形成有围绕芯510的皮层508。皮层508和芯510由相同或不同的材料构成。皮层508和芯510可以由聚合物材料(例如，上文所述的聚合物材料)形成。芯510可以是中空的，或者可以被合适的介质所占据，其中，介质可以是固体、液体或气体，并且可以是有机的或无机的。芯510的横截面形状沿着散射纤维502的长度可以是相同的，或者沿着散射纤维502的长度可以是变化的。用于芯510中的介质的折射率可以考虑到其与皮508之间的双折射界面处的折射率差来选择，以便在双折射界面处获得所需程度的反射和散射。上文已经讨论了合适的各向同性的聚合物材料和双折射性的聚合物材料。在一些实施方案中，皮芯型散射纤维502可以由这样的皮508和芯510形成，其中，皮508或芯510由双折射材料形成，或者，皮508和芯510可以都由双折射材料形成。在其它实施方案中，皮508和芯510可以都由各向同性的材料形成。皮508可用来(例如)影响散射纤维502与填料504之间的粘附性。在一些实施方案中，皮508可以由这样一种材料形成，该材料会增强散射纤维502与填料504之间的粘附性，例如该材料为聚酯树脂涂料、硅烷涂料、或其它用于增强聚合物基质和聚合物纤维之间的粘附性的底漆。在另一些实施方案中，皮508可以由这样一种材料构成，该材料会减小散射纤维502与填料504之间的粘附性，例如该材料为碳氟化合物材料、有机硅材料等等。在一些实施方案中，皮508可用来提供减反射功能，例如，通过使芯510与填料504之间达到某种折射率匹配程度来实现。复合纤维可以形成为纱600的形式，图6示意性示出一个示例性的实施方案。纱600可以通过以下方式形成将取向纤维602捻合成纱，然后使用填充材料来填充纤维602之间的空隙。在另一个方案中，纱600可以通过将各向同性的纤维602捻合而形成，其中，所述纤维由可取向的材料制成。然后，可以在形成所述纱后通过(例如)拉伸来对所述纤维进行取向。可以在对纤维602材料进行取向之前或之后，将填充材料施加于捻合的纤维602之间。在其它的示例性实施方案中，纤维602可以由非双折射材料制成，而填料由可取向的材料制成。纱600并不局限于仅仅包含由可取向材料制成的纤维，而是也可以包含其它纤维，例如由其它聚合物材料(各向同性或者双折射性的聚合物材料)制成的纤维；天然纤维，例如棉、丝或麻；以及无机纤维，例如玻璃纤维或玻璃陶瓷纤维。纱600可以包含由玻璃、陶瓷和/或玻璃陶瓷材料构成的纤维或纤维段。玻璃陶瓷材料通常包含95-98体积％的极小晶体(其尺寸通常小于lpm)。一些玻璃陶瓷材料的晶体尺寸小至50nm，由于该晶体尺寸远小于可见光的波长，所以，使得该材料可有效地透过可见波长。这些玻璃陶瓷的玻璃态区域和结晶态区域的折射率之间也可以几乎没有或者完全没有有效的差别，这样使得它们看起来是透明的。除了透明性，玻璃陶瓷材料的断裂强度大于玻璃的断裂强度，并且已知玻璃陶瓷材料的热膨胀系数为0或者甚至为负值。所关注的玻璃陶瓷所具有的组成包括(但不局限于)Li2O-Al2CVSiO2、Ca0-Al2O3-Si02、Li20-MgO-ZnO-Al203-Si02、Al203-Si02禾卩ZnO-Al203-Zr02-Si02、Li20-Al203-Si02和MgO-Al203-Si02。一些陶瓷也具有足够小的晶体尺寸，如果将它们嵌入其折射率适当匹配的聚合物基质内，那么它们看起来会是透明的。可得自位于美国明尼苏达州St.Paul市的3M公司的NextelTM陶瓷纤维是这种材料的实例，并且已经可以作为线、纱和织物垫使用。在文献ChemistryofGlasses第二版(A.Paul,ChapmanandHall,1990)和Introductionto说明书第22/31页Ceramics第二版(W.D.Kingery,JohnWileyandSons,1976)中进一步描述了合适的陶瓷或者玻璃陶瓷材料。纱600可以包含纤维段(通常称为短纤维)，这种纤维不会在纱600的整个长度上延伸。在一些实施方案中，纱600可以被密封在聚合物基质内，并且基质填充了构成纱600的纤维602之间的空隙。在另一些实施方案中，纱600在纤维602之间可以具有填料。上文已经讨论了用于纱600的合适的双折射性聚合物材料。在其它实施方案中，可以将两种或多种复合纤维捻合成纱。本发明所公幵的复合纤维可以在聚合物基质内排列成多种不同的方式，从而形成光学元件。例如，如图1所示，复合纤维104可以在基质102的横截面中无规排列。也可以采用其它的排列。例如，在图7A(其示出了光学元件700的横截面)示意性示出的示例性实施方案中，复合纤维704在基质702内排列成一维阵列，其中相邻的复合纤维704之间具有规则的间隔。在该实施方案的一些变化形式中，相邻复合纤维704之间的间隔不必对所有的纤维704来说都是相同的。该图示意性地示出了被光源706发出的光705横向照射的光学元件700。部分光708a透射通过元件700，部分光708b被元件700漫反射。通常，复合聚合物纤维704的双折射界面是细长的，并且在沿着复合纤维704的方向上延伸。在包含复合纤维的光学元件的一些示例性实施方案中，散射纤维704与x轴平行，因此漫反射光大部分被散射到垂直于纤维的平面(y-z平面)中，在x-z平面几乎没有散射。其中包含具有与偏振相关的散射特性的复合纤维的光学元件本身会表现出与偏振相关的特性。例如，光学元件可以是反射偏振器，其透射一种偏振态的光，并且漫反射正交偏振态的光。在图7B中以横截面的形式示意性示出的光学元件的另一个示例性实施方案中，复合纤维714在基质712内排列成规则的二维阵列。在所示的实施方案中，在y方向上相邻的复合纤维714之间的间距hy与在z方向上相邻的复合纤维714之间的间距hz相同。但并非必须如此，如图7C示意性示出的那样，在z方向上的间距可以与在y方向上的间距不同。另外，纤维714在平行于Z轴的列上不必对齐，而是在相邻的列之间可以有所偏移(例如，如图7D示意性示出的那样)，从而形成六方堆积的纤维图案。也可以采用其它规则的纤维714图案。在另一些实施方案中，间距可以沿着基质宽度(即沿着y方向)而变化，也可以顺着基质的厚度(即沿着z方向)而变化，也可以针对沿着y方向和z方向的不同位置都变化。例如，在图7E示意性示出的实施方案中，光学元件715包含嵌入基质712中的复合纤维714。在该具体实施方案中，一个区域中的相邻复合纤维714之间的中心距减小，该区域位于该图中部(相对于两侧的相邻区域而言)。结果，该区域的填充因子增大，填充因子也就是复合纤维714所占的横截面面积分数。填充因子的这种变化可以用于(例如)提高由光源716发射并透过元件715的光的均匀性。例如，如果元件715被包含在由分立光源照射的直视式显示屏内，那么这可能是重要的。对这种装置来说，重要的是，为观看者提供均匀照射的图像。当光源置于均匀漫射器之后时，透过漫射器的光线在光源的上部亮度最高。图7E所示的填充因子的变化可以用于增加光源716正上方的漫射量，从而减小透射光强度的不均匀性。上述的光学元件可以具有平坦表面，例如，如图1所示的垂直于z轴的平坦表面。该光学元件也可以具有一个或者多个结构化表面，以便使透过光学元件的光或被光学元件反射的光产生所需的光学效应。例如，在图7F示意性示出的一个示例性实施方案中，元件720(由基质722和多根复合纤维724形成)可能具有一个或者多个曲面726。曲面726为透过表面726的光提供光焦度(聚焦或者散焦)。在所示的实施方案中，射线728表示平行于元件720的透射轴偏振的光线的例子，该光线通过弯曲的折射表面726而聚焦。在这个例子中，弯曲的折射表面726是元件720的输出表面，被元件720透射的光通过该输出表面从元件720射出。在其它示例性的实施方案中，元件720的输入表面可以具有曲面，光通过该输入表面而进入元件720。输入表面或输出表面可以包括用于为透过该结构化表面的光提供光焦度的其它结构，例如菲涅尔透镜结构。除了弯曲区域以外或者为了代替弯曲区域，上述结构化表面也可以包括直线形区域。例如，在另一个如图7G示意性示出的示例性实施方案中，由包含复合纤维734的基质732形成的元件730可以具有棱柱形的结构化表面736，该表面被称为增亮表面。增亮表面通常用于(例如)背光液晶显示器中，以减小照射显示板的光的锥角，从而为观看者增大轴上亮度。图中示出两条离轴光线738和739作为例子。光线738处于被复合纤维734透射的偏振态，并由结构化表面736转向z轴。光线739处于被复合纤维734漫反射的偏振态。可以将增亮表面设置成使得棱柱结构与纤维734平行，并且如图所示也与x轴平行。在另一些实施方案中，棱柱结构可以与纤维方向成一定的其它角度。例如，棱柱结构可以形成与y轴平行的棱脊、垂直于纤维734的棱脊、或者与x轴和y轴成一定夹角的棱脊。可以采用任何合适的方法在基质上形成结构化表面。例如，可以在基质表面与诸如微复制工具之类的工具的表面接触时固化该基质，其中该工具表面会在该基质表面上产生所需形状。散射纤维可存在于光学元件的不同区域中。在图7G中，复合纤维734并没有位于由结构化表面736形成的结构737内，而是仅仅位于元件730的主体731内。在另一些实施方案中，复合纤维734的分布方式可能与此不同。例如，在图7H示意性示出的光学元件740中，复合纤维734同时位于元件740的主体731和由结构化表面736形成的结构737内。在图71示意性示出的另一个实例中，复合纤维734仅位于元件750的结构737内，而没有位于元件750的主体731内。图7J示意性示出本发明的另一个示例性实施方案，其中，元件760在基质762内具有聚合物纤维764。在该具体实施方案中，一些纤维764a不是完全嵌入基质762内，而是穿透基质762的表面766。在2005年2月28日提交的、标题为"REFLECTIVEPOLYRIZERSCONTAININGPOLYMERFIBERS"的、共同拥有的美国专利申请No.11/068,157(代理人案巻No.58959US002)中进一步描述了复合纤维在偏振器元件中的应用。在与上述专利申请同日提交的、标题为"COMPOSITEPOLYMERICOPTICALFILMSWITHCO-CONTINUOUSPHASES"的美国专利申请No.11/068,159(代理人案巻No.60401US002)中也讨论了散射纤维在光学元件中的应用。在一些示例性的实施方案中，被设置在光学元件内的复合纤维包含大量的多种聚合物材料，包括至少双折射材料和另一种材料(例如，基本上非双折射的材料)。这些不同的材料可以被布置成多种不同的方式，例如，布置成规则的交替层，或者布置成由一种材料置于其它材料的"池"内而形成的细纤维。基质材料可以几乎没有或者完全没有双折射性，或者与此相反可以具有双折射性。例如，如果纤维内的双折射材料表现为nx〉ny，那么基质材料可以表现为ny>nx。现在参照图8A至图8D讨论一种包含本发明复合纤维的光学元件的制造方法。将一根或多根复合纤维802置于第一聚合物层804上(图8A)，在复合纤维802上浇铸第二聚合物层806或者形成第二聚合物层806(图8B)。第一聚合物层804和第二聚合物层806可以是相同的聚合物材料，也可以是不同的材料。纤维802可以以单根的形式来铺设，也可以以丝束的形式来铺设，其中丝束是没有捻合的纤维802的排列。具体而言，该丝束可以形成复合纤维802层，其中，复合纤维802层基本上在一个平面内，并且基本上彼此平行。图9示意性地示出了纤维束906。可以存在横向部件卯8，以便对聚合物纤维802提供支承作用，并使聚合物纤维802与其相邻的纤维保持所需的间距。例如，如果以连续工艺将聚合物纤维802铺设在第一聚合物层804上，那么就无需采用横向部件908。纤维802也可以作为织物的一部分而铺设在第一层804上。图10示意性地示出了织物1006，其中，复合纤维802形成经线，横向纤维1008形成讳线。横向纤维1008可以由任何合适的纤维材料(有机的或无机的)制成，例如横向纤维1008可以是聚合物纤维，例如，各向同性的纤维或双折射性的纤维；或天然纤维，例如棉、丝和麻。在其它示例性的实施方案中，横向纤维1008可以是玻璃纤维(例如，E-玻璃或者S-玻璃纤维、或其它类型的玻璃纤维。横向纤维1008的折射率可以基本上与周围聚合物基质的折射率相匹配，从而减少它们对在光学元件内传播的光产生的光学效应。另外，并不是所有的经线纤维都必须为包含双折射界面的复合纤维802。例如，一些经线纤维也可以是各向同性的纤维，并且它们可以由与横向纤维类型相同的纤维形成。可以采用任何合适的织造工艺来形成织物。例如，织物可以为平纹织物(如图所示)、斜纹织物、缎纹织物、或者某种其它织物。在一些示例性实施方案中，织物内的复合纤维802相对较平直，例如如图11A示意性示出的部分横截面。注意该图符合其中复合纤维802基本沿x方向排列的约定。在一些示例性实施方案中，复合纤维802在织物中仍然保持一个朝向而不加捻。在另一些实施方案中，织物内的复合纤维802不必为平直的。图11B示意性示出这种织物1106的示例性的部分横截面。重要的是，注意该图所示的视图与图UA不同。图IIA示出横向纤维1008的侧面，而图11B示出聚合物纤维802的侧面。该坐标轴与本发明在以上附图中所用的常规坐标轴是一致的，因此聚合物纤维802的设置方向基本与x轴平行。但是由于复合纤维802在织物1106内起伏，所以聚合物纤维802的双折射界面不全与x轴严格平行设置。相应地，由复合纤维802反射或者散射的光可以在x-z平面内以不同角度散射。在该附图中，光1102沿着垂直于x轴的方向入射到纤维802上，并且光U02的一部分以角度a反射，根据光1102是入射在聚合物纤维802的"下坡面"还是"上坡面"，其一个分量在正x方向或者负x方向上。这样，聚合物纤维802也可以漫射x-z平面内的反射光。x-z平面内的漫反射光的锥角取决于织物内复合纤维802的形状纤维802与x方向不平行的部分越多，光在x-z平面内的角度分布就越大。可以用间歇工艺或连续工艺形成光学元件。在连续工艺中，纤维802优选以纱、丝束或织物的形式被铺设到第一聚合物层804上，然后可以在纤维802上连续浇铸或形成第二聚合物层806。第二聚合物层806在浸渍步骤中可以渗入纤维802之间。然后，可以固化第二层806，或使之硬化。第一聚合物层804可以是热塑性聚合物或者热固型聚合物。第二聚合物层806和后续的聚合物层808也可以是热塑性聚合物或者热固型聚合物。可以通过多种方法将热塑性聚合物施加到上述聚合物层804上并使该热塑性聚合物渗入纤维802之间，所述方法包括加热和加压、溶剂涂敷和干燥、或者原位聚合。通过受压、受热、经历光化辐射和/或实耗时间，将热固型聚合物涂敷并固化于纤维802和上述聚合物层804和806上。在制造本发明元件的可供选用的另一方法中，具有一定的所需光学、物理或者表面特性的聚合物膜804可被用作其上要铺设纤维802的基底。可以施加热塑性或者热固性树脂、或者可固化组合物作为第二聚合物膜806，以渗入一层或多层纤维802之间，然后可施加第二基底808，以形成包围纤维802和由树脂或可固化组合物形成的第二聚合物膜806的夹心型结构。然后可以使可固化树脂固化、硬化或者发生反应以形成叠层。在这种情况下，基底804、808可以由相同材料(诸如热塑性树脂、热固性树脂或者可固化组合物)制成或者可以由不同材料制成。可以采用多种压敏粘合剂和热熔粘合剂代替热塑性或热固性树脂或者可固化组合物来用于第二层806。在一些实施方案中，第一基底804和第二基底808可以紧密粘附于包含纤维802的热塑性或热固性树脂或者可固化组合物806。在另一些实施方案中，第一基底804和第二基底808可以是可去除的。如果需要，可以增加附加的复合纤维802层以及后续的聚合物材料层808。例如，图8C和图8D示出了在第二聚合物层806上附加一组复合纤维802，并且施加第三聚合物层808。在另一个用于制造具有多于一层双折射纤维的光学元件的示例性方法中，可以在单一一步中将两层或者更多层纤维铺设在第一聚合物层的上方、然后将第二层聚合物材料浇铸在作为聚合物基质的纤维上。在另一个用于制造具有复合纤维的偏振器的示例性方法中，可以去除复合纤维中的填料，例如通过在复合纤维被嵌入聚合物基质内以前使填料溶解于溶剂中来实现。然后可以将聚合物基质作为复合纤维中的散射纤维之间的填料。当复合纤维为纱、丝束或织物的形式时该方法特别有用。制造复合纤维的合适方法包括挤出具有双折射散射纤维和可溶性填料的复合纤维。合适的水溶性填料包括聚乙烯吡咯烷酮、乙酸纤维素和聚乙烯醇。合适的聚乙烯醇包括由聚乙酸乙烯酯水解(水解度为大约70%到95%)而制成的聚乙烯醇。可以通过挤出来得到阵列形式的散射纤维，通过加热挤出的阵列并施加合适的张力来进行取向，使得散射纤维被拉伸到指定的拉伸率以得到所需的折射率值。散射纤维取向阵列(形成复合纤维)可以形成为纱。可任选的是，所述的纱中也可以掺有其它种类的纤维。优选的是，通过形成纤维束或者将纤维织造成织物，来使纱朝向一个方向。挤出之后，通过在制造纱的任意阶段清洗纱可以去除可溶性聚合物填料。清洗后的散射纤维可以被浸入流体(优选的是可固化树脂流体)中。可以采用任何合适的技术来硬化所述树脂，例如可以通过将所述树脂热固化和/或辐射固化而形成包含聚合物纤维的基质。在一些示例性的实施方案中，树脂被固化成使得基质具有平坦的表面。在另一些示例性的实施方案中，树脂可以被固化成使得在一个或者多个表面上具有所需的结构。例如，可以在树脂表面与微复制工具的微结构化表面接触时将树脂固化。合适的微结构化表面的实例包括机械加工的金属表面、电铸的复制体或者模制的聚合物膜。形成于基质表面的合适微结构的实例包括线性棱柱结构、非线性棱柱结构、菲涅尔表面和微透镜等。现在参照图12A和图12B讨论使用复合纤维形成光学元件的另一个方法。图12A中示出了多根复合纤维1201。这些纤维1201包含散射纤维1202和位于散射纤维1202之间的填料1204。在所示的实施方案中，复合纤维1201具有长方形的横截面并且包含排列成特定而规则的横截面图案的散射纤维1202，其中该特定图案没有对称性。复合纤维1201可以采用其它的形状，例如圆形、椭圆形、长方形等等，并且散射纤维1202也可以采用其它的横截面排列方式。将纤维1201熔结在一起以形成一个物体1210，例如，如图12B示意性示出的那样。虚线表示熔结以前纤维1201之间的边界所在位置。可以用不同的方法将纤维1201熔结在一起。例如，可以通过施加压力和/或加热将纤维1201熔结在一起。在对纤维1201加热的情况中，纤维1201的温度不必达到构成纤维1201的聚合物材料的熔点，而仅需要达到足以使纤维1201彼此粘合的温度即可。例如，该温度可达到介于填料1204的玻璃化温度Tg以上但在纤维1201中的至少一种聚合物成分的熔点以下的某一值。在另一个方案中，纤维1201可以涂敷有某种使得纤维120i粘合在一起的材料，或者纤维1201之间的空隙中渗入了某种使得纤维1201粘合在一起的材料。这类材料例如可以为可固化树脂，比如丙烯酸酯。优选的是，粘合材料的折射率接近于复合纤维1201中的填充材料的折射率。在另一种方案中，可以用溶剂对复合纤维1201进行处理以使得复合纤维1201的表面发粘，结果，通过施加压力就会使复合纤维1201彼此粘合。在熔结之前纤维1201可以以单根纤维的形式排列，并且在熔结之前它们可以彼此平行排列(如图所示)。在一些方案中，在熔结以前纤维1201不必彼此平行排列。在另一些方案中，在熔结以前纤维1201可以被设置成纱、丝束或织物的形式。在熔结以前多股丝束或多件织物可以排列成彼此对齐的形式也可以不排列成彼此对齐的形式。可以在熔结以前或以后对复合纤维1201进行拉伸以便使其取向而成为双折射聚合物。一种制造复合纤维的方法是采用为制造复合纤维而设计的供料块来共挤出多根散射纤维。在纤维科学与技术手册高技术纤维部分D(第3巻;Lewin和Preston(编著)，MarcelDekker，1996,ISBN0-8247-9470-2)中极为详细地讨论了该方法。也可以采用其它的纤维结构和横截面分布，包括这篇文献中所描述的那些。可以在挤出后对复合纤维进行拉伸，以使双折射材料取向。所述的挤出可以为反应性挤出工艺，例如通常用于环氧树脂的工艺。在另一些方案中，可以挤出单体，随后进行挤出后固化操作。一些类型的共挤出供料块包含层叠在一起的多块板，其中，所述的板在其一侧或两侧上设置有沟道以及/或者所述的板带有孔，以允许液体聚合物材料从该板的一侧流至另一侧。沟道和孔是这样设计的当板被层叠在一起时，内部的少量进料口借助于渐增的大量沟道而通往输出侧。排列不同的输出孔，使得在供料块的出料处共挤出物的横截面包含位于所需类型的填充材料"海"中的所需类型的散射纤维聚合物材料"岛"。在2005年2月28日提交的、标题为"COMPOSITEPOLYMERICOPTICALFILMSWITHCO-CONTINUOUSPHASES"的美国专利申请No.11/068,159(代理人案巻No.60401US002)中更加详细地描述了适合用于挤出位于复合纤维内的散射纤维的供料块。例子在共挤出复合纤维的实例中，装配一种具有118片激光加工板和11片立铣板的供料块。该供料块还具有两个进料口和大约1000个"岛"出口。供料块被设计成使得最终得到具有基本上相等的聚合物流的散射纤维。在图13的照片中示出了所得的复合纤维形式的共挤出物的横截面。该复合纤维包含PEN(90%)/PET(10%)共聚物，其作为散射纤维("岛")位于PETG共聚酯(由位于美国田纳西州Kingsport市的EastmanChemical公司提供的Eastar6763)填料("海")中。挤出的复合纤维的直径为大约200nm。该复合纤维未经历拉伸，但是在保持其几何形状进行拉伸时，其直径可以达到大约25pm，即，其直径减小大约87%。这样拉伸后，散射纤维之间的间距将变为大约500nm。散射纤维的横截面尺寸将取决于上述这两种不同聚合物材料的流动速率比。可以形成包含数千根这种复合纤维的丝束，其中复合纤维大致彼此平行。这些丝束可以按照与参照图12A和图12B所述方式相似的方式、通过在高温(例如，约15(TC)下压合而熔合成熔结片。不应认为本发明只限于上述特定实例，而是应该认为本发明包括如所附权利要求书中明确提出的本发明的所有方面。在阅读本说明书后，对本发明所属领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可适用于各种修改、等同处理以及多种结构。权利要求书旨在包括这些修改和设计。权利要求1.一种复合聚合物纤维，该复合聚合物纤维包含聚合物填充材料；以及多根设置在所述填充材料内的聚合物散射纤维，该散射纤维的纵轴基本上平行于所述复合聚合物纤维的纵轴；其中所述填充材料和所述散射纤维中的至少一种由双折射材料形成，对于以第一偏振态入射在所述复合聚合物纤维上的光来说，所述填充材料和所述散射纤维的折射率基本上匹配，而对于以垂直于所述第一偏振态的第二偏振态入射在所述复合聚合物纤维上的光来说，所述填充材料和所述散射纤维的折射率基本上不匹配。2.如权利要求1所述的复合纤维，其中所述纤维具有基本上为圆形的横截面。3.如权利要求1所述的复合纤维，其中所述纤维具有基本上为非圆形的横截面。4.如权利要求1所述的复合纤维，其中所述散射纤维中的至少一些具有基本上为圆形的横截面。5.如权利要求1所述的复合纤维，其中所述散射纤维中的至少一些具有基本上为非圆形的横截面。6.如权利要求1所述的复合纤维，其中所述散射纤维中的至少一些被捻合。7.如权利要求1所述的复合纤维，其中在所述复合纤维的横截面中，所述散射纤维中的至少一些是不规则排布的。8.如权利要求1所述的复合纤维，其中在所述复合纤维的横截面中，所述散射纤维中的至少一些是规则排布的。9.如权利要求8所述的复合纤维，其中在所述复合纤维的横截面中，所述散射纤维中的至少一些排布在构成规则网格图案的位置上，并且所述的规则网格图案中的至少一个位置上不具有散射纤维。10.如权利要求8所述的复合纤维，其中所述散射纤维中的至少一些在所述复合纤维内排布成使得所述散射纤维的排列为横向入射到所述复合纤维上的光提供光谱选择性。11.如权利要求1所述的复合纤维，所述复合纤维还包含位于各散射纤维周围的覆盖层。12.如权利要求11所述的复合纤维，其中所述散射纤维由散射纤维材料形成，所述覆盖层由所述填充材料和所述散射纤维材料中的一种形成。13.如权利要求1所述的复合纤维，其中所述散射纤维中的至少一些包含围绕芯的皮，所述的皮和所述的芯由不同的材料形成。14.如权利要求1所述的复合纤维，其中所述散射纤维中的至少一些包含第一聚合物材料分散相，该第一聚合物材料分散相位于第二聚合物材料连续相中。15.—种光学体，该光学体包含聚合物基质；以及多根设置在所述聚合物基质内的聚合物复合纤维，所述聚合物复合纤维中的至少一根包含多根位于填料内的散射纤维，该散射纤维由第一聚合物材料构成，该填料由不同于所述第一聚合物材料的第二聚合物材料构成，所述聚合物复合纤维以基本上平行于所述聚合物基质的方式排布，所述聚合物基质、所述第一聚合物材料和所述第二聚合物材料中的至少一种是双折射性的。16.如权利要求15所述的光学体，其中所述第一聚合物材料和所述第二聚合物材料中的至少一种是双折射性的。17.如权利要求15所述的光学体，其中所述聚合物基质包含所述第一聚合物材料和所述第二聚合物材料中的一种。18.如权利要求15所述的光学体，其中所述聚合物基质包含与所述第一聚合物材料和所述第二聚合物材料不同的基质材料。19.如权利要求15所述的光学体，其中至少一根所述的散射纤维中包含分散相散射纤维，该分散相散射纤维包含位于连续相中的分散相。20.如权利要求15所述的光学体，其中所述复合纤维中的至少一些被捻合成纱。21.如权利要求15所述的光学体，该光学体还包含设置在所述聚合物基质内的纤维织物，所述纤维织物包含多根聚合物复合纤维。22.如权利要求21所述的光学体，其中所述的多根聚合物纤维构成所述纤维织物的经线和讳线中的一种。23.如权利要求22所述的光学体，其中所述纤维织物的所述经线和所述纬线中的另一种包含光学各向同性的聚合物纤维、光学各向同性的天然纤维、玻璃纤维、玻璃陶瓷纤维和陶瓷纤维中的至少一种。24.如权利要求22所述的光学体，其中所述纤维织物的所述经线和所述讳线中的另一种包含各向同性的纤维，该各向同性的纤维的折射率与所述聚合物基质的折射率基本上相同。25.如权利要求22所述的光学体，其中所述纤维织物的所述经线和所述讳线中的另一种包含各向同性的纤维，该各向同性的纤维的折射率与所述聚合物基质的折射率基本上不同。26.如权利要求21所述的光学体，其中所述纤维织物中的所述聚合物纤维基本上是直的。27.如权利要求15所述的光学体，其中在所述聚合物基质的横截面中，所述多根复合纤维中的所述复合纤维排列成无规图案。28.如权利要求15所述的光学体，其中在所述聚合物基质的横截面中，所述多根复合纤维中的所述复合纤维排列成规则图案。29.如权利要求15所述的光学体，其中所述聚合物基质形成为含有所述多根聚合物纤维的层，所述的层具有基本上平坦和平行的表面。30.如权利要求15所述的光学体，其中所述聚合物基质形成为具有至少一个结构化表面的层。31.如权利要求30所述的光学体，其中所述的至少一个结构化表面为透过该光学体的光提供光焦度。32.如权利要求30所述的光学体，其中所述的至少一个结构化表面包含棱柱结构阵列。33.如权利要求15所述的光学体，其中至少一根所述的复合纤维具有覆盖层，该覆盖层包围所述基质和所述散射纤维。34.—种光学体的制造方法，该方法包括以下步骤挤出复合纤维，每一根复合纤维均包含多根分散在填料中的散射纤维，该散射纤维由第一聚合物构成，该填料由第二聚合物构成，该第二聚合物是可溶性的；对所述第一聚合物进行取向，以便使所述第一聚合物变为双折射性的；形成含有经过所述取向的复合纤维的纱；；在溶剂中清洗所述的纱，以除去所述第二聚合物；形成纱的阵列，其中所述的纱的阵列具有优选的朝向；用树脂浸渍所述的纱的阵列；以及使所述树脂硬化。35.如权利要求34所述的光学体的制造方法，该方法还包括在形成所述的纱之前对所述第一聚合物进行取向。36.如权利要求34所述的光学体的制造方法，该方法还包括在形成所述的纱之后对所述第一聚合物进行取向。37.如权利要求34所述的光学体的制造方法，其中形成所述的纱的阵列包括编织所述的纱。38.如权利要求34所述的光学体的制造方法，其中形成所述的纱的阵列包括形成单轴定向的纱束。39.如权利要求34所述的光学体的制造方法，其中硬化所述树脂的步骤包括将所述树脂固化的步骤。40.如权利要求39所述的光学体的制造方法，其中固化所述树脂的步骤包括将所述树脂光固化。41.如权利要求39所述的光学体的制造方法，其中固化所述树脂的步骤包括将所述树脂热固化。42.如权利要求39所述的光学体的制造方法，其中固化所述树脂的步骤包括在所述树脂与微复制工具的表面接触时将所述树脂固化。43.如权利要求42所述的光学体的制造方法，该方法还包括使用所述微复制工具在所述光学体上形成结构化表面。44.一种光学体的制造方法，该方法包括以下步骤挤出复合纤维，每一根复合纤维均包含多根分散在填料中的散射纤维，该散射纤维由第一聚合物构成，该填料由第二聚合物构成，所述第一聚合物和所述第二聚合物中的至少一种是可取向的；将所述复合纤维排布在一起；以及熔结所述复合纤维，以形成熔结光学体。45.如权利要求44所述的方法，其中熔结所述复合纤维的步骤包括对所述复合纤维施加压力和热量中的至少一种。46.如权利要求45所述的方法，其中熔结所述复合纤维的步骤包括对所述复合纤维既施加压力又施加热量。47.如权利要求44所述的方法，其中熔结多根所述复合纤维的步骤包括使用粘合剂将所述复合纤维连接在一起。48.如权利要求44所述的方法，其中熔结多根所述复合纤维的步骤包括使用溶剂处理所述的多根复合纤维，并将处理后的复合纤维压合到一起。49.如权利要求44所述的方法，该方法还包括对所述复合纤维进行拉伸，以便使所述可取向的所述第一聚合物和所述第二聚合物中的至少一种取向。50.如权利要求44所述的方法，该方法还包括在熔结所述复合纤维之前拉伸所述复合纤维。51.如权利要求44所述的方法，该方法还包括在熔结所述复合纤维之后拉伸所述复合纤维。52.如权利要求44所述的方法，其中将所述复合纤维排布在一起的步骤包括将所述复合纤维以基本上彼此平行的方式排布。53.如权利要求44所述的方法，其中将所述复合纤维排布在一起的步骤包括使所述复合纤维形成为至少一个丝束。54.如权利要求44所述的方法，其中将所述复合纤维排布在一起的步骤包括将所述复合纤维形成为至少一件纤维织物。全文摘要本发明涉及一种复合聚合物纤维，其包含聚合物填充材料和设置在所述填充材料内的多根聚合物散射纤维。所述填充材料和所述散射纤维中的至少一种由双折射材料形成。对于以第一偏振态入射在所述复合聚合物纤维上的光来说，所述填充材料和所述散射纤维的折射率可以基本上匹配，而对于以正交偏振态入射的光来说，所述填充材料和所述散射纤维的折射率不匹配。所述散射纤维可以排列成使得在所述复合纤维内形成光子晶体。所述复合纤维可以通过挤出而形成，并且可以形成纱、织物等。如果所述填充材料是可溶性的，那么可以从纱或织物中洗掉所述的填充材料，然后，可以用随后固化的树脂来浸渍所述的散射纤维。文档编号D01F8/14GK101128751SQ200680006294公开日2008年2月20日申请日期2006年2月3日优先权日2005年2月28日发明者克里斯廷·L·通霍斯特,周允中,奥勒斯特尔·小本森,威廉·J·科佩基,安德鲁·J·欧德科克,布鲁斯·B·威尔逊,帕特里克·R·弗莱明,罗伯特·L·布劳特,罗格·J·斯塔莫,詹姆斯·C·布雷斯特尔,黛安娜·诺思申请人:3M创新有限公司