CN101128758B - 具有共连续相的复合聚合物光学膜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过共挤出而形成的光学元件(100)，其具有由位于聚合物基质(102)中的聚合物散射纤维(104)形成的排列。该散射纤维基本上平行于第一轴。在所述聚合物基质的横截面中，所述散射纤维被排布在使得沿着基本上正交于所述第一轴的方向横向入射到所述光学元件上的光发生散射的位置上。所述散射纤维在所述光学元件的横截面中的位置可以被选择成使得能够针对横向入射到所述光学元件上的光而形成二维光子晶体结构。

Description

具有共连续相的复合聚合物光学膜
技术领域
本发明涉及聚合物光学膜，尤其涉及对于光的透射和反射具有选择性的聚合物光学膜。
背景技术
光学膜用来改变光学装置的透射、反射和吸收特性。由光学膜提供的普通功能包括：改变光的方向，有角度地选择透射、反射和吸收，以及选择性地透过某一种偏振态的光。制造光学膜的普通方法是在折射和/或散射光的薄膜上形成结构化表面。制造这些类型的薄膜的方法包括微复制方法和提供用于形成结构化表面或光学活性表面的涂层的方法。另一种制造光学膜的方法是形成由具有不同光学特性的材料构成的复合膜。这些类型的薄膜的例子包括共挤出的聚合物层(形成干涉滤光器)、以及由两种不同的聚合物经挤压成型而得到的共混物(其中，使得非连续相随机地分布在连续相中)。
复合膜能够提供在许多应用方面高度理想的综合光学功能。不过，复合膜的实用局限性在于它难以使元件在多于一个的维度上精确地定位。这种缺乏精确性的问题降低了光学膜的整体光学性能和表面质量。
发明概述
本发明的一个具体的实施方案涉及一种形成光学体的方法。该方法包括通过共挤出而形成位于聚合物基质内的聚合物散射纤维，从而形成光学元件。该散射纤维基本上平行于第一轴。在聚合物基质的横截面中，该散射纤维被排布在使得沿着基本上正交于第一轴的方向横向入射到光学元件上的光发生散射的位置上。
本发明的另一个实施方案涉及一种光子晶体光学体。该光学体包含聚合物基质、以及由设置在该聚合物基质内的聚合物散射纤维形成的排列。所述的散射纤维基本上平行于第一轴。散射纤维在位于聚合物基质的横截面中的排列中的位置被选择成使得能够针对在基本上正交于第一轴的方向上入射到聚合物基质上的光而形成二维光子晶体。
本发明的另一个实施方案涉及一种包括光子晶体的光学系统，其中该光子晶体具有由位于聚合物基质内的聚合物散射纤维形成的排列。该散射纤维基本上平行于第一轴。光源被布置并构造成用于产生沿着正交于第一轴的方向入射到该光子晶体上的光束。
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原理的、包含设置在聚合物基质内的散射纤维的光学元件的实施方案；
图2A-2D示意性地示出根据本发明原理的、包含散射纤维的光学元件的实施方案的剖视图；
图3A-3C示意性地示出根据本发明原理的、包含散射纤维的光学元件的另一些实施方案的剖视图；
图4A-4E示意性地示出根据本发明原理的光学元件的更多实施方案的剖视图，其示出散射纤维的剖视图案；
图4F-4I示意性地示出根据本发明原理的光学元件的更多实施方案的剖视图，其示出沿着散射纤维的横截面维度内的变化；
图5是示出光散射效率与散射纤维半径的函数关系的图；
图6A-6E示意性地示出根据本发明原理的、包含散射纤维的光学元件的另一些实施方案的剖视图；
图7示意性地示出根据本发明原理的、包含皮芯散射纤维的光学元件的实施方案的剖视图；
图8A-8D示意性地示出根据本发明原理的、具有结构化表面的光学元件的实施方案的剖视图；
图9A和9B示意性地示出根据本发明原理的、可用来制造光学元件的系统的实施方案；
图10A-10E示意性地示出分配板实施方案的示例性加工步骤，该分配板可用于图9A和9B所示的系统中；
图11是示出在基质内包含散射纤维的共挤出复合纤维的横截面的照片；
图12示意性地示出根据本发明原理的、包含分散相散射纤维的主体的实施方案的部分横截面；以及
图13A和13B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。
虽然本发明可以有各种修改和替代形式，但是在附图中作为示例显示了本发明的细节，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于所述具体实施方案。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
本发明可应用于光学系统，尤其可应用于偏振光学系统。例如，本发明的光学元件可以在诸如液晶显示器、电视机、监视器、被照明的标志、移动电话和个人数字助理(PDA)之类的系统中找到用武之地。
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基本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，反射光线的角度分布与入射光线的角度分布不同。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。
本发明的某些实施方案涉及由嵌入聚合物基质中的聚合物纤维形成的排列。这些纤维可以是平行的也可以是不平行的，并且可以在薄膜内的至少一个方向上是连续的，还可以在基质的横截面内是随机分布的。
所得的光学元件可用来呈椭圆形地散射光，即，对一个入射平面内的光的散射要比对另一个与之正交的入射平面内的光的散射更为强烈，或者采用合适的材料和后加工而制成这样一种元件，该元件对一种偏振态的光的散射要比对与之正交的偏振态的光的散射更多。该散射可以是前向散射或后向散射。剩余那些未被散射的光或者以最低程度被散射的光可以透过。纤维也可以被分布成使得光被几根纤维表面相干散射的方式。这样可以制成一种使得光学元件的角度和波长选择特性高度受控的二维光子晶体。
图1示意性地示出根据本发明一个实施方案的光学元件的部分切除视图。光学元件100(可以为聚合物光学膜形式)包含聚合物基质102，该聚合物基质也可以被称为连续相。聚合物散射纤维104被设置在基质102内。在一个具体的实施方案中，纤维104基本上平行于在该图中表示为x轴的轴布置。散射纤维104可沿着元件100的长度在x方向上延伸，因此可将散射纤维104称为共连续相。元件100被成形为一体式的光学体，并且可以具有诸如薄片、圆柱和管之类的形式。该光学体在y-z平面内具有足够的横截面尺寸，从而使得所述元件在至少一个维度上是基本自支承的。例如，如果元件100是在z方向上尺寸较薄而在y方向上要宽得多的薄片，那么元件100在y方向上是基本自支承的，这是因为它可以在z方向上容易地发生挠曲但在y方向上却不会如此。
散射纤维材料在x轴、y轴和z轴方向的折射率可以表示为n1x、n1y和n1z，而聚合物基质102的材料在x轴、y轴和z轴方向的折射率可以表示为n2x、n2y和n2z。如果某一材料为各向同性的材料，那么该材料在x轴、y轴和z轴上的折射率都基本匹配。如果某一材料为双折射性材料，那么该材料在x轴、y轴和z轴上的折射率中的至少一个与其它的不同。如果其中两个折射率大致相同而第三个折射率不同，那么该双折射性材料被称为单轴双折射材料，如果所有这三个折射率都不相同，那么该双折射性材料被称为双轴双折射材料。
聚合物基质102和/或散射纤维104可由各向同性或双折射性的聚合物材料形成。双折射性材料可以为正双折射的或负双折射的。如果基质102和纤维104这两者都为双折射的，那么这两者可以都为正双折射的、或者可以都为负双折射的、或者可以一者为正双折射的而另一者为负双折射的。
基质102和散射纤维104之间的界面或边界可以是不连续的，其中，形成基质102的聚合物材料和形成纤维104的聚合物材料这两者之间几乎不发生混合，或者这两者可以部分地相互混合或者相互扩散，或者这两者可以相互反应(例如，可以发生酯交换反应)。
光学元件100的不同的实施方案可以以不同的方式来使用以产生不同的光学效果。例如，元件100可用作反射偏振器，其中一个偏振态的光优先被反射而与之正交的偏振态的光优先被透射，或者元件100可用作椭圆漫射器，其中光在一个平面比在另一个与之正交的平面被散射得更多。在另一个实施方案中，元件100可用作与偏振态无关的、用于反射光的非偏振反射器。可以将散射纤维104有规律地间隔开以制成光子晶体，这样可以增大纤维的散射效率、提供波长选择性(即，使特定波长透过而反射其它的波长)、以及/或者提高偏振对比度。偏振对比度被定义为：优先被透过的偏振光的传播量(transmission)除以优先被反射的偏振光的传播量。
可以针对所需应用的最佳性能来选择光学元件100的各种成分的折射率。如果元件100用作反射偏振器，那么优选的是至少基质102或者散射纤维104由具有高的双折射率的第一聚合物成分形成。高的双折射率被认为是高于0.05的值，其中优选的是至少为0.2的值，更优选的是至少为0.3的值。双折射率用高折射率方向与低折射率方向的折射率差来表示。在纤维104与基质102之间的界面处，针对平行于x轴偏振的光而言的折射率差n1x-n2x可以不同于针对平行于y轴偏振的光而言的折射率差n1y-n2y。从而，在基质102与纤维104之间的双折射界面处，针对某一种偏振态而言的折射率差可以相对较小。在一些示例性的情况中，该折射率差可以小于0.05。该条件可视为基本上达到折射率匹配。该折射率差可小于0.03，小于0.02或更优选为小于0.01。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透过元件100。换言之，x偏振光基本上经镜面透射而通过元件100。
基质102与纤维104针对正交偏振态的光而言的折射率差可相对较高。在一些示例性的例子中，该折射率差可以为至少0.05，也可以更大，例如大于0.1，优选为大于0.2，且更优选为大于0.3。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就会发生散射，其中在该双折射界面处折射率差为n1y-n2y。换言之，y偏振光可以基本上被元件100漫反射。
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。
在另一些实施方案中，元件100可以是具有一定形状的双折射(form-birefringent)反射偏振器，其中具有各向异性形状的纤维104用来选择性地反射一种偏振态而透射另一种偏振态。可以采用各向同性的聚合物制成具有一定形状的双折射偏振器，其中优选的是，用于基质102的第一聚合物材料和用于纤维104的第二聚合物材料之间的折射率差非常大(大于0.2)。反射偏振器的其它实施方案可以采用双折射性材料和双折射性形状这两者的结合来构造。
在一些实施方案中，上述这两种聚合物材料之间的折射率差、这两种材料之间的界面的大小和形状、以及散射纤维的相对位置可导致一种入射偏振态比其它偏振态发生更多的漫散射。这种散射可主要为后向散射(漫反射)、前向散射(漫透射)、或后向散射和前向散射的结合。在另一些实施方案中，元件100可起到诸如椭圆漫射器之类的成形漫射器(shaped diffuser)的作用，其中漫射器优先散射某些方向上的光。例如，在椭圆漫射器中，光在垂直于光束的第一方向上比在既垂直于第一方向又垂直于光束的正交方向上散射得更多。椭圆漫射器可通过使针对至少一种偏振光而言的折射率差相对较小的方式来制成。通常，大约0.01至大约0.02的折射率差对于椭圆偏振器来说是优选的。在其它实施方案中，元件100可提供形状双折射，其中散射纤维和基质由各向同性材料形成，但基质内的纤维所具有的几何形状使得在基质内传播的光产生总体上的双折射效果。此外，对散射纤维和基质的折射率、以及纤维之间的间距所做的选择可导致入射光发生选择性衍射。
适合用于聚合物基质和/或纤维的材料包括在整个所需的光波长范围内透明的热塑性和热固性聚合物。合适的聚合物材料可以是无定形的、半结晶的、或者为液晶，并且可包括：均聚物、共聚物、或者聚合物共混物、由聚合物和反应性化合物构成的混合物、以及由聚合物与另一些功能性材料构成的混合物。合适的反应性化合物的例子包括单体形式和低聚物形式的聚合物前体，其包括丙烯酸酯、硅烷、环氧树脂、酯和聚酰胺酸。合适的功能性材料的例子包括染料、颜料和增塑剂。
合适的聚合物材料包括(但不局限于)：聚碳酸酯(PC)；聚苯乙烯(PS)；C1-C8烷基苯乙烯；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；聚甲基丙烯酸乙酯(PEMA)；环烯烃；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；聚二甲基硅氧烷(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)；聚酰胺；离聚物；乙酸乙烯酯/聚乙烯共聚物；纤维素乙酸酯；乙酸丁酸纤维素；含氟聚合物；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)丙烯酸酯是指对应的甲基丙烯酸酯或者丙烯酸酯化合物。这些聚合物可以是全同立构的、无规的和间同立构的聚合物，并且可以以各种共混物和共聚物的形式使用。除了间同立构PS以外，这些聚合物都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是双折射性的。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
  树脂/共混物   S.R.   T(℃)   n<sub>x</sub>   n<sub>y</sub>   n<sub>z</sub>
  PEN   1   -   1.64
  PEN   6   150   1.88   1.57   1.57
  PET   1   -   1.57
  PET   6   100   1.69   1.54   1.54
  CoPEN   1   -   1.57
  树脂/共混物   S.R.   T(℃)   n<sub>x</sub>   n<sub>y</sub>   n<sub>z</sub>
  CoPEN   6   135   1.82   1.56   1.56
  PMMA   1   -   1.49
  PC、CoPET共混物   1   -   1.56
  THV   1   -   1.34
  PETG   1   -   1.56
  SAN   1   -   1.56
  PCTG   1   -   1.55
  PS、PMMA共聚物   1   -   1.55-1.58
  PP   1   -   1.52
  间同立构PS   6   130   1.57   1.61   1.61
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nz的列表示材料的折射率。在上表中，没有列出ny和nz值的情况表示ny和nz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，例如使得拉伸率高达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，可以将硅烷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，可能优选的是，基质102为非溶性的或者至少为耐溶剂的。合适的耐溶剂性材料的实例包括聚丙烯、PET和PEN。在另一些实施方案中，可能优选的是，基质在有机溶剂中可溶解。例如，由聚苯乙烯形成的基质102可以溶解于诸如丙酮之类的有机溶剂中。在另一些实施方案中，可能优选的是，基质为水溶性的。例如，由聚乙酸乙烯酯形成的基质102可溶于水中。
纤维104可以以多种不同的方式被排布在基质102中。例如，纤维104可以被布置成在基质102的横截面区域中表现为不规则的形式。在图1中，各纤维104在y-z平面内的位置是不规则的。此外，一些纤维104可以由与另一些纤维104的材料不同的材料制成。例如，一些纤维104可由光学透明材料制成，而另一些纤维104由光学吸收材料制成。
可采用纤维在横截面内的其它布置方式。例如，在图2A(该图示出了元件200的横截面)示意性示出的示例性实施方案中，纤维204在基质202内排布成规则的二维阵列。在所示实施方案中，相邻纤维204在y方向上的间距dy等于相邻纤维204在z方向上的间距dz。但并非必须如此，z方向上的间距dz也可以不同于y方向上的间距dy，例如，如图2B中示意性示出的实施方案光学元件210所示的那样。
在元件220所示的另一个示例性实施方案(在图2C中示意性地表示为元件220)中，在相邻的行之间纤维204的位置可以发生偏移，从而形成六方堆积的纤维图案。在所示的示例性实施方案中，纤维204的位置对应于基本为等边三角形的网格。这样可形成被称为六方密堆积的图案。但并非必须如此。例如，如图2D中的示例性元件230所示，纤维204可以是基于等腰三角形而不是等边三角形的六边形图案。
在优选的示例性实施方案中，双折射材料可以是这样一种材料，其在取向后折射率会发生改变。因此，在聚合物被取向后，沿取向方向会产生折射率匹配或者失配的情况。通过仔细控制取向参数和其它工艺条件，正双折射或者负双折射的双折射材料可以用来使一种或两种偏振光沿着给定的轴发生漫反射或者透射。透射与漫反射的相对比值与多种因素有关，例如(但不限于)散射纤维在基质内的含量、纤维的尺寸、在双折射界面处的折射率差的平方、双折射界面的大小和几何形状、以及入射辐射的波长或波长范围。
沿特定轴的折射率匹配或者失配的量值会影响沿该轴偏振的光的散射程度。总体而言，散射能力随着折射率失配的平方而变化。所以，沿特定轴的折射率失配越大，沿该轴偏振的光的散射越强。相反，如果沿特定轴的折射率失配较小，那么沿该轴偏振的光的散射程度就较低，并且透过该主体部分的透射会更多地变为镜面透射。
如果沿着某一轴线非双折射材料的折射率与双折射材料的折射率相匹配，那么电场方向平行于该轴的偏振入射光将基本无散射地穿过界面，而与双折射材料部分的尺寸、形状和密度无关。针对本发明的意图，当两个折射率的差值小于至多0.05(优选的是小于0.03、0.02或者0.01)时，这两个折射率基本匹配。
此外，基质与散射纤维之间的结合作用可以较弱，这可用来促进在两种聚合物之间形成空隙。在元件受到拉伸时尤其可产生这种空隙。空隙的存在能够提高薄膜的反光性，这是因为聚合物材料与空隙之间的折射率失配相对较大。空隙的存在能够增大反射率，而不管所含的聚合物材料到底是各向同性的还是双折射性的，但是空隙的存在往往会降低偏振敏感性，这是因为空隙处的折射率差通常至少与双折射聚合物的双折射率一样大。
对于与偏振具有相关性的实施方案，优选的是，把用于本发明的光学元件中的所选材料和这些材料的取向程度选择成使得成品光学元件中的双折射材料和非双折射材料具有至少一条这样的轴，其中与该轴相关的折射率基本上相等。与该轴相关的折射率匹配导致在该偏振平面内基本上没有光的反射，其中，该轴通常(但并非必须)是与取向方向横交的轴。
在一些光学元件的实施方案中，材料的折射率在x方向上沿纤维的长度改变。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，所以双折射性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。
在另一些示例性实施方案中，散射纤维可以在光学元件的横截面中形成其它的图案。例如，散射纤维可被排布成占据规则网格图案中的一些(但不是全部)位置。被散射纤维散射的光可能会发生漫散射、以及发生透射或反射。此外，可以在相邻的散射纤维或者散射纤维组之间引入间隔或者间隙。可以对所述的组或者间隔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一些排列对于特定波长范围内的光可起到光子晶体的作用，从而得到光谱选择性的反射和/或透射。在光子晶体结构中，散射变为相干散射，从而被一根散射纤维散射的光和被其它散射纤维散射的光是相干的。因此，入射光束能以光束保持高度准直的状态被反射或透射。相干散射可导致衍射。
之前对光子晶体结构(例如光子晶体光纤(PCF))所做的研究集中在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。PCF可以是玻璃光纤。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于用于光纤中的材料的双折射性而引起的。
本文所披露的光学元件类型明显不同于这种PCF研究中所使用的玻璃光纤。首先，本发明的光学元件包括散射纤维，而玻璃PCF用孔作为散射点。在本发明的一些实施方案中，光学元件材料包含至少一种双折射材料，而之前的PCF仅包含各向同性材料。此外，因为聚合物中的光损耗高于玻璃的光损耗，所以在纵向限定光子晶体结构这方面聚合物材料并不常用。在本发明的一些实施方案中，从侧面照亮光学元件，结果穿过光学元件的光程长度相对较短，从而使得在聚合物材料中产生的光损耗较小并且实际上可以忽略不计。从而，在本文所述的光学元件中，聚合物材料的使用不会引起入射光产生明显的损耗。此外，之前的聚合物和玻璃PCF仅使用各向同性材料而未使用双折射材料。
此外，在一些实施方案中，散射纤维在光学元件的整个横截面中的密度(也被称为填充比)可以相对较为均匀，其中散射纤维被布置在光学元件的基本整个横截面中。散射纤维的总横截面面积可以占光学元件横截面面积的1％-95％，优选为10％-90％，更优选为10％-50％。在整个光学元件中填充比不必相同。然而，之前的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，对于之前的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。
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。
现在说明光学元件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3A示意性示出的示例性实施方案光学元件300中，一些散射纤维304规则地排列成正方形阵列，而该阵列中的某些区域306则没有散射纤维。在图3B示意性示出的另一个光学元件310的示例性实施方案中，散射纤维304可以以同心图案的形式排列在中心308周围。散射纤维304可以位于中心308(如图所示)，或者中心308也可以没有散射纤维304。
散射纤维304的尺寸和相邻散射纤维304之间的间距大小可以针对特定的光学特性(例如透射和/或反射)来进行选择。在图3B所示的例子中，所示的散射纤维304以环的形式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304也可以形成围绕中心308的径向同心图案，例如如图3C所示的示例性元件320示意性示出的那样。在该示例性实施方案中，图案中心308没有纤维304。
在一些实施方案中，并不是所有的散射纤维都具有相同的横截面尺寸。例如，如分别由图4A和4B示意性地示出的实施方案光学元件400和410所示，元件400和410可包括不同横截面尺寸的散射纤维404。在这些具体的实施方案中，散射纤维404a的横截面比散射纤维404b的大。散射纤维404可以被分成由至少两种尺寸不同的纤维构成的组，并且甚至所有的散射纤维404都可以具有不同的尺寸。实际上，散射纤维404的尺寸可以在某一范围内而不是只取单一的值。此外，不同的散射纤维404可由不同的材料形成。
在一些实施方案中，散射纤维404位于与规则网格图案相关的位置上，但是并非网格图案中的所有位置都被散射纤维404占据，如图4B所示的示例性元件410所示，其包括排列在六边形图案上的纤维404，其中在没有被散射纤维404占据的网格位置上产生了一些间隙406。此外，具有特定尺寸的散射纤维的位置可以是规则的也可以是不规则的。在附图中，图4A所示的元件400中的较粗的纤维404a和较细的纤维404b分别规则地排列成交替的列。但并非必须如此，纤维404a和404b也可以排列成不同的图案。此外，散射纤维在横截面中的排列可以具有一个或多个对称轴，也可以完全没有对称轴。
在基质的横截面中，散射纤维可以在一个方向上规则地排列而在另一个方向上不太规则地间隔开。此外，在基质的横截面中，散射纤维之间的间距不必相等，而是可以在基质402的多个区域之间发生变化。例如，在图4C示意性示出的示例性元件420中，由散射纤维404形成的纤维行之间的间距从基质402的一侧到另一侧递增，即，对于在z方向上穿过基质402的不同位置来说，间距是不同的。
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，也可以针对沿着y方向和z方向的不同位置都变化。例如，在图4D所示的实施方案中，光学元件430包含嵌入基质402中的散射纤维404。在该具体实施方案中，一个区域中的相邻散射纤维404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，填充因子也就是散射纤维404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436发射并透过该元件的光的均匀性。例如，在使直接照明型LCD的光照均匀化以便使得观众不会看到由用来照亮屏幕的照明灯泡的离散性而引起整个屏幕上的亮度发生变化的情况中，这可能是重要的。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。填充因子的变化可以用于增加光源正上方的漫射量，从而减小透射光强度的不均匀性。
在另一些实施方案中，散射纤维404的横截面尺寸可以在基质402中的多个区域之间发生变化。例如，在图4E示意性示出的示例性光学元件440中，散射纤维404的横截面尺寸从基质402的一侧到另一侧发生变化。具体而言，对于所示的实施方案，散射纤维404的直径针对沿着z方向的不同位置来说是增大的。在另一些实施方案中，所述的横截面尺寸可沿着基质的宽度(即针对沿着y方向的不同位置)而变化，也可以针对沿着y方向和z方向的不同位置都发生变化。
在示例性的光学元件440中，纤维404之间的中心距沿着z方向是恒定的，但是在z方向上纤维404之间的间隔在减小，这是因为在沿着z方向的位置上纤维尺寸在增大。在另一些实施方案中，中心距和/或纤维的横截面尺寸可以针对基质402的横截面内的不同位置而发生变化。
此外，在沿着散射纤维404的长度方向上该散射纤维的横截面尺寸可以相同，或者在沿着该散射纤维的长度方向上的不同位置处该横截面尺寸可以不同。这种变化的例子示意性地示于图4F-4I中，图4F-4I示出了光学元件在x-y平面上的纵截面视图，表示从一侧观看散射纤维。在图4F所示的实施方案中，光学元件450包括嵌入基质452中的散射纤维454。在该具体实施方案中，散射纤维454在区域456中的横截面尺寸小于其它处。可以通过(例如)在共挤出元件450时暂时减小施加于散射纤维聚合物上的压力来产生这样的区域。或者，可通过暂时增大施加于散射纤维聚合物上的压力来形成横截面较大的区域458。
在图4G示意性示出的另一实施方案中，光学元件460包括位于基质462内的散射纤维464，其中散射纤维464的横截面宽度在一些区域466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4H和4I分别示出与图4F和4G所示的横截面相似的横截面，但其中一些散射纤维454a、464a的横截面尺寸不变，而另一些散射纤维454b、464b的横截面尺寸发生变化。一些散射纤维454b、464b的这种横截面尺寸的变化可以通过(例如)提供两个与共挤出供料块(feedblock)相连的散射纤维聚合物进料装置来实现。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454a、464a，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454b、464b。
散射纤维的尺寸会对入射光的散射产生显著的影响。图5示出散射效率(归一化的成比例的光学厚度(normalized scaled opticalthickness)(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＝τ(1-g)/(tf)
其中τ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+1，对于纯后向散射来说，g值为-1，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并且散射纤维具有圆形横截面。
由图可见，针对可见光的散射效率峰值在半径为大约0.15μm处，并且在半径为大约50nm到1000nm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，但是对于其光谱以大约550nm为中心的入射光来说，横截面尺寸可以在大约50nm到2000nm的范围内，更为优选的是在大约100nm到1000nm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。当散射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，散射纤维的尺寸可以不同。通常，散射纤维横截面尺寸的优选范围为大约λ/10到大约4λ，其中λ为光在真空中的波长。当光的波长为一个范围时，可以取该波长范围的中间值作为λ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，或者对于真空中波长为550nm的光，小于大约0.012μm，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充物的折射率之间。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大约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。
散射纤维的横截面可为圆形，但并非必须为圆形，散射纤维也可以具有其它的横截面形状。在图6A中以横截面的形式示意性示出的示例性光学元件600中，基质602中嵌有具有方形横截面的散射纤维604。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、矩形或六边形、或者兼具曲边和直边的横截面形状。本发明不应局限于仅仅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光学元件的横截面面积中占更高的比例。例如，如果散射纤维排列成矩形网格并且其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元件的横截面中占据更多的面积。
图6B-6D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6B中，光学元件610由嵌有散射纤维604的基质602形成，其中散射纤维604具有椭圆形的横截面。在这个具体实施方案中，散射纤维604以它们的横截面椭圆的长轴与z轴平行的方式对齐。换言之，椭圆的长轴位于与元件610的厚度方向平行的方向上。在图6C所示的光学元件620的示例性实施方案中，椭圆形纤维604以横截面椭圆的短轴与z轴平行的方式对齐，从而椭圆的短轴位于与元件620的厚度方向平行的方向上。
散射纤维604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。例如，可以在横维方向上对挤出的料片进行拉伸，这是一种被称为拉幅的工艺，其结果是使得挤压成型的散射纤维的横截面形状发生改变。这种可能性的一个例子在图6C中示意性地示出：散射纤维604的椭圆形横截面形状可以通过从椭圆形模具中挤出而形成，也可以通过对包含具有圆形横截面的散射纤维的基质进行拉幅加工而形成。
散射纤维604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604可以在光学元件内具有不同的对齐方式。在图6D示意性示出的示例性实施方案光学元件630中，纤维604具有椭圆形的横截面，其中一些纤维604a被排列成使得它们的长轴与z轴平行，而另一些纤维604b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604是对齐的。此外，纤维604a组和纤维604b组在元件630的横截面内规则排列。可以理解的是，纤维604a组和纤维604b组也可在元件630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元件内形成图案。图6E示意性地示出这种元件640的一个具体实例。基质602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612和圆形纤维614。在所示的实施方案中，椭圆形纤维612以这样一种方式排列，该方式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614。
当散射纤维具有非圆形横截面时，散射纤维可以以不加捻的方式位于基质内，从而使得散射纤维的某一个表面沿散射纤维的长度一直面向元件的某一个表面。在另一些示例性的实施方案中，散射纤维可以在基质内绕着其纵轴加捻，例如，绕着平行于x轴的轴加捻。从而，加捻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面向基质的不同表面。
在一些实施方案中，虽然折射率失配是促进基质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。
在一些实施方案中，散射纤维可以具有皮芯结构，其中芯和皮由相同或者不同的材料构成，或者其中的芯为中空的。这样，例如，散射纤维可以是具有均匀或者非均匀横截面的中空纤维。纤维的内部空间可以为空的，或者可以被合适的介质(可以是固体、液体或气体，并且可以是有机的或者无机的)所占据。可以考虑双折射界面处的折射率差来选择该介质的折射率，从而在双折射界面处获得所需程度的反射或者散射。上面已讨论了合适的各向同性和双折射性的聚合物材料。图7示意性地示出这种光学元件700的一个示例性实施方案，其包含嵌入了散射纤维704的基质702。纤维704具有被皮708包围的芯706。
皮708可用来(例如)影响散射纤维704与聚合物基质702之间的粘附性。在一些实施方案中，位于外层的皮708可以由这样一种材料形成，该材料会增强散射纤维704与聚合物基质702之间的粘附性，例如该材料为聚酯树脂涂层、硅烷涂层、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708可以由这样一种材料形成，该材料会减小散射纤维704与基质702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708可用来提供减反射功能，例如，通过使芯706与聚合物基质702之间达到某种折射率匹配程度来实现。
本发明的光学元件可以具有平坦表面，例如表现为其主表面平行于xy平面的片状形式。该光学元件也可以具有一个或者多个结构化表面，以便使透过的光或被反射的光产生所需的光学效应。例如，如图8A示意性示出的一个示例性实施方案中，元件800(由基质802和多根散射纤维804形成)可能具有一个或者多个曲面806。曲面806为透过表面806的光提供光焦度(聚焦或者散焦)。在所示的实施方案中，射线808代表光线实例，其透过元件800并由弯曲的折射表面806聚焦。在另一些示例性的实施方案中，元件800的入射表面可以为弯曲的，或者其入射侧和/或出射侧上的表面结构可包括向透过该结构化表面的光线提供光焦度的一些其它结构。所述结构的一个实例为菲涅耳透镜结构。
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8B示意性示出的示例性实施方案中，由包含聚合物纤维824的基质822形成的元件820可以具有棱柱形的结构化表面826，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。图中示出非垂直入射到元件820上的两条光线828和829作为例子。光线828处于由元件820透射的偏振态，并由结构化表面826转向z轴。光线829处于由元件820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824平行，并且如图所示也与x轴平行。在另一些实施方案中，棱柱结构可以被设置成与纤维824的方向成一定的其它角度。例如，棱脊可与y轴平行设置，也可以垂直于纤维824设置，或者可以与x轴和y轴成一定夹角设置。
可以采用任何合适的方法在基质上形成结构化表面。例如，可以在聚合物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8B中，散射纤维824并没有位于由结构化表面826形成的结构827内，而是仅仅位于元件820的主体801内。在另一些实施方案中，散射纤维824的分布方式可能与此不同。例如，在图8C示意性示出的光学元件830中，散射纤维824同时位于元件830的主体801和由结构化表面826形成的结构827内。在图8D示意性示出的另一个实例中，散射纤维仅位于元件840的结构827内，而没有位于元件840的主体801内。
一种制造包含散射纤维的光学元件的方法是把基质和散射纤维共挤出。聚合物纤维的共挤出已在别处有所讨论，例如在纤维科学与技术手册：高技术纤维部分D(第3卷；Lewin和Preston(编著)，Marcel Dekker，1996，ISBN 0-8247-9470-2)中极为详细地讨论了该方法。通过特殊设计的供料块进行共挤出使得散射纤维可以被选择性地布置在元件内的所需位置上，并且使得可以为散射纤维选择不同的形状。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(通常称为B阶材料)。
共挤出结构(即，带有共挤出的散射纤维的基质)通常是互相扩散的，这是因为共挤出的材料是在材料熔融时的高温条件下被挤出的。此外，在散射纤维和基质之间没有涂层。另一些制造聚合物结构的方案(例如，包封或浸渍预成形的纤维)会导致在基质与散射纤维之间几乎不发生互相扩散。此外，利用这类技术制成的结构通常会导致要使用加工助剂，例如位于纤维与基质之间的上胶剂或偶联剂。除此以外，共挤出更有可能避免在散射纤维周围出现气泡的情况，并且更有可能使不同的散射纤维之间保持所需的间距以获得光子晶体结构以及其它结构。
图9A(侧视图)和9B(正视图)示意性地示出一种共挤出系统900的实施方案，其中，该共挤出系统用于制造在基质内包含散射纤维的薄膜元件。两种不同的聚合物被泵送到各自的进料口902a、902b中，并且被提供给分配板904。分配板904形成一种其中包含第二聚合物纤维的、由第一聚合物构成的聚合物基质。在压缩段908中所述包含纤维的基质在一个或两个方向上被压缩，并通过模头910被挤出到流延轮912上，从而制成挤出料片906。如果所得的挤出料片906为大约一米宽，那么基质可包含上百万根纤维，例如高达一亿根或更多的纤维。
在挤压之后，可以对所得的元件材料进行取向，从而使基质和/或散射纤维产生双折射性。使元件的一个或多个组成部分产生双折射性的一种方案是在一个或多个方向上对该元件进行物理拉伸。可以沿着纤维长度在纵向上对该元件进行拉伸，也可以垂直于纤维在横向上对该元件进行拉伸，或者可以顺着该元件的厚度(在z方向上)对其进行拉伸，或者以上述组合的方式对该元件进行拉伸。在当前的例子中，可以沿着料片906的横维、纵维、或厚度方向对该料片进行拉伸。在拉伸过程中可以在一个方向或多个相交方向上限制元件的尺寸，或者可允许其不受拉伸(relax)。一般来说，最强的双折射性是通过使与拉伸方向相交的方向不受拉伸而实现的。
可以在光学元件的至少一个表面上形成某种结构。例如，可以通过使料片906穿过一对辊子914、916之间而对料片906压印表面结构。辊子914、916中的至少一个可设有压花表面，以便制成结构化的料片918。使元件具有结构化表面的另一方案是把结构化薄膜层叠到含纤维的料片906上。
形成分配板904的一种方案是光刻法，现在参照图10A-10E说明该方法。图10A示意性地示出板1000，其具有由通过光刻而限定的抗蚀剂特征物1002所形成的阵列。可以通过用光敏抗蚀剂涂敷临时结构板来形成这些特征物1002。因为板1000将要用在后续的电镀步骤中，所以板1000应该是导电的或者具有导电涂层。此外，板1000也可以设有附加层，其中该附加层允许经电镀的结构在后续步骤中被去除。
一旦板1000经光敏抗蚀剂涂敷，就把光敏抗蚀剂暴露于包含所需曝光图像的辐射中，并且光敏抗蚀剂的可蚀刻区域随后被分解或者被蚀刻掉，从而形成抗蚀剂结构1002。然后板1000被镀上镍或者其它某种合适的金属以填充位于抗蚀剂结构1002之间的部分。可以通过(例如)研磨使所镀的金属平坦化，以形成平坦的表面1004，并且将抗蚀剂结构1002蚀刻掉，从而在平坦的表面1004中形成一系列的孔1006，如图10B示意性示出的那样。用于研磨表面1004的适当方法包括用固结磨料、浆状磨料、或者两者的组合进行研磨或抛光。然后可以通过(例如)溅射来对平坦的表面1004施加薄薄的导电金属层。
之后以下面的方式制备带有沟槽的另一个层，其中每一个沟槽均与两个孔1006相连。首先用光敏抗蚀剂覆盖图10B所示的板1000，该光敏抗蚀剂经曝光和蚀刻而形成多个光敏抗蚀剂结构1008，如图10C示意性示出的那样。每一个结构1008均形成在两个孔1006之上。然后对板1000中的光敏抗蚀剂结构1008与基底之间的区域进行镀覆，从而形成平坦的表面1010。然后将光敏抗蚀剂结构1008蚀刻掉，从而在表面1010中形成一系列的沟槽1012，如图10D示意性示出的那样。每一个沟槽1012均与两个孔1006相通。
在沟槽化的表面1010上形成另一个光敏抗蚀剂层，随后再一次进行以下步骤：i)将光敏抗蚀剂曝光，ii)对光敏抗蚀剂蚀刻以形成光敏抗蚀剂结构，iii)对光敏抗蚀剂结构之间的区域进行镀覆，iv)平坦化以形成平坦的表面，以及v)通过蚀刻除去光敏抗蚀剂结构，从而制成具有多个孔1016的平坦表面1014。孔1016与沟槽1012相通，并由此与孔1006相通。板1000上的孔1016的数量是孔1006的数量的一半。由此，包含孔1006、沟槽1012和孔1016的多层布置使得聚合物可通过的通道的数量加倍。从而，通过上述顺序制成的每一对层(一个沟槽层伴随有一个孔层)将聚合物流一分为二。因此，十层可产生32根纤维，四十层可产生一百万根纤维，五十层可产生三千三百万根纤维，以此类推。对于填充有散射纤维(其具有高的反射率)的聚合物片来说，通常，在1米宽乘以100μm厚的一片中包含大约1亿根散射纤维。
制造分配板的另一种方案是把彼此对齐的、经过铣削或者穿孔的薄片(例如金属片)堆叠起来，从而形成分叉网络。可以使这些薄片相互粘合，例如，通过在每一个薄片上涂敷可熔性金属(例如银焊料)薄层、然后施加合适的热和压力，从而将成堆的薄片粘合在一起。分配板中的至少几个层还可以由图案化的和经过蚀刻的硅制成。可以用仔细对齐的方法简单地将硅层堆叠起来，或者可以利用硅粘接方法将硅层粘合起来。
在一些实施方案中，分配板可以由至少两个区段组成，其中第一区段将不同的聚合物分成适当数量的单股物料流，而第二区段使物料流的数量倍增。第一区段可以通过一种诸如铣削或蚀刻金属片并将其粘合起来的方法而制成。第二区段可以附加、粘结或可拆卸地连接在第一区段上。用于粘结的合适方案包括利用可熔性金属涂层将这两个区段彼此焊接在一起，以及提供机械锁紧装置来连接这两个区段。这两个区段可以彼此对齐，并置于结构支承体上。优选的是，该支承体对这两个区段的板片都提供足够的支承作用，从而使它们在聚合物流的压力作用下不会扭曲变形到影响分配板功能的程度，同时仍然使聚合物基质和纤维能够流入压缩段。
位于挤出的料片中的散射纤维所具有的最终的几何形状取决于聚合物流在进入压缩段之前所流经的分配板的最后一层中的孔的形状、以及聚合物的粘度比。一般而言，粘度较低的聚合物往往会围绕着粘度较高的聚合物而流动。因此，通常优选的是，纤维比基质聚合物具有更高的粘度，从而使得基质聚合物围绕着纤维聚合物而流动。分配板的最后一层也可以具有这样一种形状的孔，其中该形状的孔会使基质聚合物围绕着纤维聚合物而流动的能力得到增强。例如，供基质聚合物流动所用的孔可以被延长从而使之部分地环绕供纤维聚合物流动所用的孔。
分配板中的小孔可能会被聚合物流中的碎片和降解产物堵塞。因此，可以对聚合物流进行过滤，优选的是，使得过滤后的聚合物流的尺寸小于分配板中的最小的孔的尺寸。过滤器可以被设置在用来为供料块提供聚合物的管道中、或者正好在聚合物进入分配板之前的位置处，或者在这两处都设置过滤器。
例子
在共挤出包含散射纤维的元件的实例中，装配一种具有118片激光加工片和11片立铣片的分配板，该分配板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11的照片中示出了所得的复合纤维形式的共挤出元件的横截面。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Eastman Chemical公司提供的EastarTM 6763)基质(“海”)中。该挤出元件的直径为大约200μm。该挤出元件未经历拉伸，但是在保持其几何形状进行拉伸时，其直径可以达到大约25μm，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。
在形成位于基质内的散射纤维的另一种方案中，用第一聚合物作为基质，而用第二聚合物和第三聚合物来形成散射纤维，并且将其从挤出供料块的“岛”出口中挤出。在一些实施方案中，第二聚合物和第三聚合物互不相溶，并且第二聚合物和第三聚合物中的至少一者为双折射的。可以将第二聚合物和第三聚合物混合并通过挤出而形成光学元件中的散射纤维。在加工之后，散射纤维包含分别由第二聚合物和第三聚合物形成的连续相和分散相。这种类型的散射纤维被称为分散相散射纤维。图12示意性地示出包含分散相散射纤维1202的光学元件1200的例子，该图示出了包含位于连续相1206中的分散相1204的散射纤维1202。分散相散射纤维1202被基质1208包围。在另一些实施方案中，散射纤维可由第二聚合物和第三材料形成，其中第三材料是液晶材料、液晶聚合物或某种聚合物。
在所有实施方案中对散射纤维的尺寸的要求都是相似的。散射纤维的尺寸可能需要适当地按比例放大或缩小，以达到包括这种散射纤维(其包含连续相和分散相)的系统所需的尺寸大小，这取决于所需的工作波长或工作波长范围。
现在参照图13A和13B讨论用于形成光学元件的另一种方案，其在2005年2月28日提交的、标题为“复合聚合物纤维”(“COMPOSITE POLYMER FIBERS”)的、共有的美国专利申请No.11/068,158(代理人案卷No.60371US002)中有所讨论。图13A示出了多根复合纤维1301。这些纤维1301包含散射纤维1302，其中在散射纤维1302之间具有填充物1304，纤维1301可通过(例如)共挤出来形成。在所示的实施方案中，复合纤维1301具有方形的横截面并且包含按特定的规则的横截面图案排列的散射纤维1302。在该特定图案中没有对称轴。复合纤维1301可以采用其它的形状，例如圆形、椭圆形、矩形等等，并且散射纤维1302也可以采用其它的横截面排列方式。
将纤维1301熔结在一起以形成片状的光学元件1310，例如，如图13B示意性示出的那样。虚线表示熔结以前纤维1301之间的边界所在位置。可以用不同的方法将纤维1301熔结在一起。例如，可以通过施加压力和/或加热将纤维1301熔结在一起。在对纤维1301加热的情况中，纤维1301的温度不必达到构成该纤维的聚合物材料的熔点，而仅需要达到足以使纤维1301彼此粘合的温度即可。例如，该温度可达到介于填充物1304的玻璃化温度Tg以上但在纤维1301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1301可以涂敷有某种使得纤维1301粘合在一起的材料，或者纤维1301之间的间隙中渗入了某种使得纤维1301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1301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1301进行处理以使得复合纤维1301的表面发粘，结果，通过施加压力就会使复合纤维1301彼此粘合。
在熔结之前纤维1301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1301不必彼此平行排列。在另一些方案中，在熔结以前纤维1301可以被设置成纤维束或织物的形式。在熔结以前多股纤维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1301进行拉伸以便使其取向而成为双折射聚合物。
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。

Claims (11)

1.一种形成光学体的方法，该方法包括以下步骤：
通过共挤出而形成位于聚合物基质内的聚合物散射纤维，从而形成光学体，所述聚合物基质包含第一聚合物，所述散射纤维基本上平行于第一轴，在所述聚合物基质的横截面中，所述散射纤维被排布在使得沿着基本上正交于所述第一轴的方向横向入射到所述光学元件上的光发生散射的位置上，其中所述的通过共挤出而形成散射纤维的步骤包括通过共挤出而形成具有位于第三聚合物连续相中的第二聚合物分散相的散射纤维，其中所述第二聚合物和所述第三聚合物中的至少一者是双折射性的，该方法还包括将所述双折射的所述第二聚合物和所述第三聚合物中的至少一者取向的步骤。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述的取向步骤包括沿着至少第一方向拉伸所述光学体。
3.如权利要求2所述的方法，该方法还包括在沿着所述第一方向拉伸所述光学体的同时使所述光学体在正交于所述第一方向的方向上不受拉伸。
4.如权利要求1所述的方法，该方法还包括形成至少第一散射纤维和至少第二散射纤维，所述第一散射纤维的横截面形状不同于所述第二散射纤维的横截面形状。
5.如权利要求1所述的方法，该方法还包括在所述光学体上形成结构化表面的步骤。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述形成结构化表面的步骤包括形成增亮表面。
7.如权利要求5所述的方法，其中所述散射纤维被设置在由所述结构化表面形成的结构内。
8.一种光学体，该光学体包含：
聚合物基质，所述聚合物基质包含第一聚合物；以及
通过共挤出而形成的位于聚合物基质内的聚合物散射纤维，所述散射纤维基本上平行于第一轴，在所述聚合物基质的横截面中，所述散射纤维被排布在使得沿着基本上正交于所述第一轴的方向横向入射到所述光学元件上的光发生散射的位置上，其中所述散射纤维包括位于第三聚合物连续相中的第二聚合物分散相，所述第二聚合物和所述第三聚合物中的至少一者是双折射性的。
9.如权利要求8所述的光学体，其中所述散射纤维在基质的横截面中被排布成占据规则网格的位置。
10.如权利要求9所述的光学体，其中所述规则网格的一些位置上没有散射纤维。
11.如权利要求8所述的光学体，其中所述聚合物基质包括至少一个结构化表面。
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