波导、用于从波导输出耦合光的方法和显示器与流程
本发明涉及一种波导，其包括衬底，在衬底上布置有至少两个层结构的层堆叠，其中每个层结构具有至少一个透明的介电层，特别是具有至少一个其折射率高于衬底的透明介电层，并且其中在两个相邻的层结构之间布置有影响光传播的结构，特别是至少局部地层状延伸的结构，其中所述结构在层堆叠中的位置对应具有至少一个，优选恰好一个节点的可导入波导的波导模式的节点位置。可导入波导的模式特别是ten或tmn模式或者henm和/或ehnm，分别在生长方向上具有至少一个节点(即n>＝1且m是任意值)。
在所述衬底上，所述层结构优选重叠地布置在垂直于衬底表面的方向上。这对应所述层的生长方向上的堆叠。此外，所述结构位于平行于衬底表面的平面中。在所述平面中，所述结构可以是平的，但也仅可以构造成线状的。
本发明还涉及一种用于输出耦合来自波导的光的方法，特别是来自前述的波导，其中所述光作为具有至少一个节点的波导模式传播，其节点位置对应波导中影响光传播的结构的位置。
此外，本发明涉及一种具有可控子像素的行和列排列的显示器，所述显示器包括至少一个波导。
背景技术：
由申请人自己的申请pct/ep2014/001809中已知上述类型的波导。使用其中描述的布置，从而通过光传播的影响，特别是通过散射，将从外部射入波导的光经由所述结构耦合到波导中，但同时确保相同的结构不会以相反的方式对光具有输出耦合效应。
为了避免这种输出耦合，激活所述波导中的一种模式，所述模式在横向强度分布中具有至少一个，优选恰好一个节点，并且所述波导被如下构造，即所述结构相对于其在堆叠方向上的位置布置在节点位置，因此在光传播过程中，所述结构大多数时候忽略由于光强度的加载，因此实际上，在波导中传播的光没有在所述结构上实现散射。
因此，这样的波导的优点在于，将来自周围环境的光集中在其中，但是具有以下缺点：使用所述波导不能直接进行光的输出耦合，特别是基于需求的可选的输出耦合。
技术实现要素：
因此，本发明的目的是进一步完善这种已知的波导，以便利用波导使得光的低损耗传播成为可能，但是也开发基于需求的输出耦合，特别是在多个不同的位置，优选每个位置可由控制装置(ansteuerung)选择。此外，本发明的目的是提供一种具有至少一个这种波导的显示器，以及开发一种用于输出耦合来自这种波导的光的方法。
所述目的通过所述波导如下实现，即所述波导包括至少一个装置，其用于至少暂时改变所导入的波导模式的节点和所述结构相对于彼此的相对位置。为此，所述波导例如可能包括至少一个装置，其用于使得所引导的波导模式的节点相对于影响光传播的结构的相对位置至少暂时位移，或者使得所述结构相对于所述节点至少暂时位移。因此，在第一所述实施方案中，节点在波导中的局部位置，和在第二实施方案中，结构在波导中的局部位置，优选由于这种装置而改变。在以下的描述中，术语“结构”以简短的方式在各种情况下表示影响光传播的结构。
因此，根据本发明，用于输出耦合光的方法基于以下事实：所述波导模式的节点和所述结构相对于彼此的相对位置至少暂时发生位移，特别是通过节点相对于结构的位移或者通过结构相对于节点的位移。
从技术上讲，这会导致所导入的波导模式的节点位置不再与所述结构的位置一致，使得所述结构不再直接被存在于节点位置中的最小强度所包围，而是由于位移使得所述模式的横向分布(transversalprofil)强度叠加在所述结构上，因此所述结构对光传播产生某方面的影响，使得来自波导的光输出耦合。
本文开头处所描述的现有技术中所期望的结构和波导模式之间的功能，即仅将光耦合到波导中，但不影响在波导中传播的模式，根据本发明通过所述装置至少暂时有意地解除。
出于输出耦合来自波导的光的目的，在可能的优选实施方案中，所述结构可能被构造为散射结构和/或衍射结构和/或反射结构和/或发光结构。因此，通过这种结构可能改变相对于所述波导模式的扩散方向，从而可能导致输出耦合。
与以下不是主动提及的散射、衍射或反射的结构相反，主要改变所导入波导模式的扩散方向，也可以使用发光结构。在第一个步骤中，将发光激发的所导入模式吸收到结构中。在本发明意义上，所述吸收取决于所述结构的填充因子，即可以通过所述模式相对于节点中发光层的位移来进行调节。在吸收之后，波长增加的光将发射到宽的角度范围内，使得所述光的大部分可能离开波导。这种效应可能是由结构中存在的至少一种物质引起的，该物质具有磷光、荧光、辉光(lumineszenz)或吸收和发射之间的斯托克斯位移。
在前述实施方案中，尤其是具有散射结构的实施方案中存在可能性，例如，光输出耦合的结构被构造为由沉积金属形成的结构化层。这种结构化可以在小于10nm至几微米的横向尺寸范围内。
这种方法的优点在于，即使非常薄的金属结构，能够很好地与节点位置“相匹配”，也能与光非常强烈地相互作用。在许多等离子体应用中都利用了这种强的相互作用。这种方法的缺点在于，需要有针对性地进行结构化。
在一种改进方案中，因此可以设置为，在沉积之后首先蚀刻非结构化也没有散射的金属层，由此可以实现与光的散射相互作用，特别是不必有针对性地进行结构化。其中以银作为金属是特别有利的。
通过首先粗糙化底板和随后沉积金属层也可以产生粗糙的金属层。粗糙化可以通过表面的机械处理，通过离子照射、等离子体处理、化学处理和其他方法来产生。在另一个衬底上形成的粗糙表面(例如，结构蚀刻的硅晶片)也可以被转移到波导的表面，从而在其上产生散射结构。所述转移可以例如通过纳米印刷、压花、浇铸和固化或类似的方法来实现。
此外，可以直接涂覆金属纳米颗粒(纳米点、纳米线等)，例如通过喷涂、浸涂，多样的印刷技术或其他沉积方法，例如来自悬浮液。为了避免出现较大的凝聚物，特别是喷涂看起来更好。因此，例如由银纳米线可以生产非常薄的层，表现出强的漫散射，在生长方向甚至部分透明且由此使得在横向上重叠的纳米线具有导电性。因此，其可以用作白色散射结构并且同时用作电极。还可以设置纳米颗粒的尺寸至少大于100纳米，特别是因此使得其散射效应相对于吸收效应来说居后了。如此产生的宽带(白色外观)散射通过反射在金属表面上局部产生。除了所述局部的金属反射之外，还可以在透明的介电材料之间使用局部的反射。因此，透明的纳米颗粒或微晶可以嵌入同样透明的聚合物基质中，然而，所述基质具有更高或更低的折射率。代替纳米颗粒，在基质中也可以产生气穴(例如，通过气息图案法)。而且还可以利用具有不同折射率的至少两种聚合物(例如嵌段共聚物)之间的偏析(entmischung)来产生散射的也就是统计上的结构。在任何情况下，由基质和散射元件构成的整体结构要足够薄，以便与节点概念协调一致。
可以通过高度分布或折射率分布的周期性变化，而至少在所导入的模式的传播方向上产生衍射结构。这种对于所述模式来说起到衍射光栅作用的结构可以自组织，例如通过已经提到的由于至少两种聚合物(例如嵌段共聚物)之间相分离的偏析，由此也可以产生周期性结构。还可以光刻制造所述光栅。除了电子束光刻之外，还可以使用传统的光刻法。
因为所需的结构是周期性的，因此也可以使用干涉光刻、位移塔尔博特光刻(dtl)或应用于大面积的更简单的其他光刻技术。在此过程中还可以额外施加电子束或光敏材料来产生所述结构。在剥离(lift-off)时所述材料将沉积在后面的材料之上并在蚀刻时在所述结构之上。两种情况下都会在结构化之后去除所述电子束或光敏材料。另一种可能性，结构本身可能包含或完全由相应的敏感材料组成，导致光刻结构化或者影响所述结构的几何表面或折射率，或者对两种性质都有影响。所述敏感材料在结构化之后仍然残留的部分在这种情况下将保留在所述结构中。
与所描述的方法相比，在波导上光刻制造衍射结构特别优选的是，通过复制方法将高度分布情况
由此特别是可以实现对称的结构。
与散射结构相比优选衍射结构，特别是，如果需要颜色选择性或方向选择性来进行输出耦合的情况。
使得所导入的波导模式和结构彼此产生相对位移的装置，原则上可以设想两种方案。
第一种，波导中的结构可以机械地失调，特别是局部移位。为此可以使用可静电移位的微机械或纳米机械系统，例如金属膜。因此，这些膜将成为根据本发明的结构，其可以在生长方向上或逆着生长方向机械地位移。由于这种位移，节点位置也会略有改变。然而，重要的是结构相对于节点位置的相对位置可能改变。
第二种，该结构可以在波导中保持位置固定，同时影响波导，使得所导入的模式的节点位置稍微改变。所述实施方案是优选的，因为它在技术上更容易实现并且承诺明显更高的切换速度。在这种情况下，基本上任何一个元件或多个元件的布置彼此适应，利用它们可以节点的位置上影响在波导中传播的横向模式。
这两个选项基本上可以相互组合。
根据本发明，特别优选选择这样的装置，利用该装置可以改变层堆叠的至少一层的光学厚度，优选地，可以改变与光输出耦合结构相邻接的层结构中的至少一层的光学厚度。
这种改变在时间上可以是持续的或者只是暂时的，即短暂的。例如，节点位置可以在两个或更多个状态或值之间来回切换。这开启了根据需要重复进行输出耦合来自波导的光的可能性，因此也可以将本发明应用于显示器，例如，具有可控子像素的行和列布置的那些，所述显示器包括至少一个根据本发明的波导，子像素由用于至少暂时使得节点位移的相应装置来限定。
在本说明书的范围内，子像素用于显示器中，因为这种子像素在典型的颜色应用中形成整个彩色像素的常见单色部分。仅在纯单色显示器的情况下或者在子像素按时间顺序连续不同的单色控制的显示器的情况下，已知的子像素被视为与显示器的像素相同。
层的光学厚度在此应理解为层的几何厚度与层的折射率的乘积。因此，利用根据本发明的装置，可以同时影响几何厚度、折射率或两者。一般而言，一种装置在此应理解为不仅是单个元件，而优选是多个元件，它们共同作用以产生将节点和结构相互改变位置的效果。
根据本发明，在优选的实施方案中，可以利用层堆叠中的相应装置至少暂时地产生电场。这种相应的场产生装置可以例如包括至少两个，优选恰好两个布置在层堆叠中或层叠上的可控电极，尤其为了从外部执行方法在其上施加与时间相关的电压，利用该电压可以在层堆叠中至少暂时地产生电场。因此，电压源也可以理解为属于(场产生)装置。
在此设置，所述层堆叠的至少一层可被产生的电场穿透，优选地这种层可以邻接于光输出耦合的结构，优选地没有间隔。例如还可以设置，所述层堆叠的两层或更多层被电场穿透。在场强和/或场方向方面，多个这样的层中的电场可以相同或不同。
如果电场穿透多个层，则本发明可以优选设置用于产生场的装置在每个被穿透的层中同时产生场。
在利用电场穿透两层的情况下，这些层可能优选地围绕结构布置，即所述结构可能被这两层包围。
各个被场穿透的层例如可以是所述层堆叠的两个层结构的单个层，或者是层结构的多个层中的一层。
通过可以至少暂时产生的电场的作用，可以实现至少一个被场穿透的层的光学厚度的改变，从而改变波导的调谐(abstimmung)并因此使得模式的节点位置相对于所述结构发生位移。因此，根据场效应可以在指定装置的位置局部地实现光的输出耦合，其中输出耦合的强度也可受到场强的影响。
特别有利的是，如果被电场穿透的层具有可随可产生的电场变化的折射率。优选使用其折射率由于电光效应可能改变的被场穿透的层。例如由于冰层效应(packeis-effekt)或克尔效应，是可以改变折射率的。
在另一个实施方案中，被电场穿透的层可能具有几何厚度，该几何厚度随着可产生的电场而改变，例如由于层中的电致伸缩或压电效应。作为改变光学厚度的层，还可以想考虑介电层，其通过施加电压而电容性地变形。同样可以考虑液体或液晶，其可以通过电场来改变光学厚度。
在一种实施形式中，用于节点位移的装置优选包括至少两个或恰好两个用于产生电场的电极，本发明可以这样设置，所述装置的至少一个电极布置在节点位置或至少在课导入波导的波导模式的节点位置范围内。
因此，一方面，这使得电场穿透波导接近结构的区域的中心，从而即使在相对小的电压下也可以在电极之间产生节点位置的位移。另一方面，至少一个电极在节点位置或其附近的定位导致所述电极本身仅对光产生极小的影响，因为它们和所述结构最多受到所述模式的可忽略的光强度的作用。
用于布置电极的优选区域应理解为在精确的节点位置周围的区域，在所述区域强度小于1/ex最大强度，优选小于1/10x最大强度，更优选小于1/100x最大强度，并且特别优选小于1/1000x最大强度，所述最大强度是节点旁下一个强度最大值的最大强度。如果传播模式没有帐户转移(kontenverschiebung)，则考虑这种状况。
本发明可以设置为，装置的所有电极都布置在节点位置或至少在可导入波导的波导模式的节点位置的区域中。在这种情况下，电极优选地在波导模式的至少一个可能的传播方向上是间隔开的。相邻电极的表面区域被构造成叉指互锁型(interdigitalineinandergreifend)。因此，在光输出耦合结构周围的区域中，可以在相邻电极之间有效地产生电场，因此节点位置可以在场效应的位置处位移。
对于装置的一个或两个或多个电极在节点位置处的布置，本发明可以设置成，所形成的相应电极由光输出耦合结构本身构成。因此，所述结构和电极是一起形成的。这可能具有制造优势。
在节点位置的区域内，但不完全在节点位置形成的相应电极可以例如邻接地，例如没有间隔地邻接地布置在光输出耦合结构上。在用于制造波导的逐层的制造工艺中，因此可以在制成所述结构之后或之前将电极引入到波导的层结构中。
本发明还可以设置成，一个电极与另一个电极在堆叠方向上间隔开，另一个电极布置在节点位置上或在至少在节点位置的区域内。所述间隔开的电极可以是例如邻接地布置在整个层堆叠上的，优选地布置在所述衬底和所述层堆叠之间，或者在相同的可导入的波导模式的另一节点位置中。最后提到的两个实施方案在此具有的优点是，所述间隔开的电极也在模式的光强度的影响之外。所述实施方案，其中电极被布置在相同的节点位置或在波导模式的两个节点的两个不同节点位置的，其相对于一个或两个电极在层堆叠之外的布置来说具有优点，即改变所述结构相邻接的层的光学厚度只需要极低的电压，因为通过较小的电极间距即使在极低的电压下也达到足够高的场强，从而足以改变光学厚度。
为了确保这样在堆叠方向上与第一电极间隔开的第二电极，被衍射或散射或以其它方式偏转的光穿透，本发明可以将电极设置成透明的，例如作为tco层(透明导电氧化物)。透明或半透明电极的其他可能性是超薄金属层，特别是通过透明层稳定以防止岛生长的那些。如果这些层的厚度低于10nm，则优选被称为超薄层。此外，还考虑将碳纳米管、银纳米线或其他材料结合到透明电介质或半导体基质(例如氧化锡)中的复合材料。如上所述，也可以考虑仅由银纳米线组成的薄膜作为可以同时形成散射结构的半透明电极。
在最简单的实施方案中，本发明可以在波导中设置恰好一个上述类型的实现节点位移的装置。
优选的实施方案可以设置由至少一个波导构成的显示器，该波导具有多个上述类型的装置。这样的多个装置优选是n×m矩阵的形式，其中n>＝1且m>1，特别是其中这种矩阵具有相互垂直的行和列。
这开启了例如显示器的形成，其中由矩阵形成的显示器的子像素由特别是在堆叠方向上的区域来限定，其中相应的装置实现所导入的波导模式的节点和结构的相对位置的改变。存在这样的改变的地点，因此会出现光输出耦合。
对于在层堆叠的堆叠方向上的所述装置的连续电极来说，子像素因此至少基本上由电极的几何外边缘限定，特别是由两个电极的外边缘之间的体积限定。至少一个区域被用于发光，所述区域位于电极的堆叠方向上重叠地表面区域之间。在这种情况下，当在所述堆叠方向上观察时，在堆叠方向上间隔开的电极可以优选地是重合的。但是，这不是绝对必要的。优选地，在此至少位于辐射方向上的电极是透明的。
对于布置在波导模式的传播方向上，特别是布置在公共节点位置的电极来说，子像素同样被区域限定，所述区域通过分配给它的装置发光。然而，在间隔方向上的电极表面之间没有重叠或至多轻微重叠。优选地，这至少是位于在传播方向上间隔开的两个电极的相对电极边缘之间的区域，它是装置的一部分。整个发光区域至少包括电极边缘之间的这个区域并且通常更大，因为电场不仅仅在边缘之间延伸。
在显示器的单色实施方案中，相应的像素可以在n×m矩阵中形成每个矩阵位置的唯一发光图像区。因此，这样的子像素如前面所述在显示器的特殊情况下形成像素。
在彩色显示器中可以设置，前面所限定的子像素形成显示器n×m矩阵的每个矩阵位置的整个彩色发光像素的多个子单元，优选至少三个子单元。
在一个可能的实施方案中，在波导中布置多个这样的相应装置，使得节点位移并因此在相应装置的位置输出耦合光。所述多个装置由此要布置在波导的不同位置，以便通过对所述装置的选择性控制可以实现波导中光的输出耦合，即通过对不同的可选地点的控制。
例如可以如下设置，即多个装置平行于层的传播方向且多个彼此并排地布置。这种多个装置在优选的实施方案中可以构成n×m矩阵，其中n>＝1且m>1，在此过程中通过每个装置还分别限定了子像素和任选地同时限定像素。
在一个实施方案中，所述相应的装置具有两个电极，因此可以设置显示器具有对应电子对数目的子像素数目
在另一个实施方案中还可以设置，所述相应的装置包括两个电极，但是对于所有装置或至少一组装置，两个电极中的一个分别出于相同的电位，特别是所述装置形成公共的接地电极。一般说来，一个装置的元件，例如电极，也是另一个装置的元件，特别是相邻的装置。
本发明还可以提供一个实施方案，其中波导，特别是单个波导包括多个平行相邻的电极构成的第一组，它们分别在第一种可能的平行于层的扩散方向上纵向伸展；所述波导还包括多个平行相邻的电极构成的第二组，它们分别在第二种可能的平行于层的扩散方向上纵向伸展。
两个可能的扩散方向可以优选地彼此垂直，特别是为了构造上述n×m显示器。因此，一组电极的行电极可以形成另一组电极的列电极。
所述实施方案还可以设置，所述第一组和第二组在堆叠方向上间隔开。在这种情况下，可被电场穿透的层位于两个组之间的堆叠方向上，所述层的光学厚度可以根据所述场改变。
在所述实施方案中，通过在堆叠方向上重叠布置的第一和第二组的电极的表面区域形成相应的装置。每个单独的电极总是分配到子像素的一整行或一整列。通过控制来自一个组的电极和来自另一个组的电极，在上述意义上的行电极和列电极具有不同的电位，对应所期望的子像素的行和列，由此产生一个电场，两个电极在堆叠方向上交叉，从而输出耦合来自交叉点的光，因此所述交叉点代表一个子像素。
根据本发明类型的显示器在优选的实施方案中可以具有恰好一个波导。这种波导根据前述的实施方案可以包括显示器的所有用于限定自限速的装置。所述波导在此可以具有长/宽比，其至少基本上对应于各个方向上的子像素数目的比率。
在另一个实施方案中，每个单独的波导都可以被分配到显示器中子像素的每一行，同时用于改变垂直于波导的纵向伸展方向的光学厚度的装置限定了列。因此，通过接通光源，相应单独的和只分配到所述光源的波导可以提供光，并且这样限定的光(lichtgeflutet)的行，控制属于列的装置，从而在期望的子像素实现输出耦合。因此通过组合的光学技术和电气选择可以非常快速地控制发光的子像素。
每个单独的波导在此可以由基本上条状的波导构造，特别是一行的所有子像素都一个接一个地布置在这种条的纵向伸展方向上。因此，条状形式首先在本发明的意义上目标明确，其后的显示器的每行都分配到单个的波导。如果所述条的宽度相对于所引入的光的波长来说足够大，则所述条状波导仍然可以在物理上被认为很好地近似薄膜波导。只有当宽度大大降低时，才能明显限制在这个方向上产生歧义(mehrmodigkeit)，则henm或ehnm因此不再会因为非常大的m而被看成薄膜模式ten或tmn，所述条状薄膜波导在物理意义上作为条状波导条形波导。由于在条状波导的宽度的方向上上述结构也被限制在节点的位置上，在本发明意义上，这类事实上的条状波导可以通过横向的强度最小值的存在加以利用。在这种情况下，所述结构不是(全部)平面地布置在平行于衬底表面的平面中，而是线形的，或许是条状的。另外，这也对应根据本发明的设置，仅在超出生长方向上也可以用在横向方向上。以下应基本上描述条状波导。因此，以下将波导分配给显示器行。所述条状波导在此可以是条状的薄膜波导，还可以是物理意义上的事实上的条状波导。在后一种情况下，根据本发明的结构在超出生长方向的节点中的放置可以转移到条宽度的横向方向。
显示器的至少一个波导可以普遍并因此具有不依赖于显示器矩阵的行和列构成的具体形式而具有至少一个用于光的耦合的光源。所述光源的光可以通过耦合器耦合到波导中。耦合器例如可以是由光栅构成的，引入到波导的表面并且在耦合所需的角度下被待耦合的光照射。
在这种情况下，由光源产生的光的强度优选是可以改变的，根据至少实际上用于改变节点位置而进行控制的装置的数目。特别地，随着进行控制的装置的数目增加，光源的强度可以因此增加。本发明还可以设置，随着相应的装置输出耦合的光的强度增加，则光源的强度增加。
在装置的位置或对于子像素来说，可以优选通过相应装置设定的场强的大小来选择输出耦合的光强度。本发明可以因此设置光源的强度不依赖于场强或经由装置施加的电压而改变，特别是随着场强的增加，光源的强度也增加。
利用本发明可以实现，这种波导的每个子像素在相同的施加电压下优选输出相同的光强度，不依赖于同时控制多少个子像素，也不依赖于相应的子像素有多亮。
波导或包括至少一个这种波导的显示器的这种操作可以称为光源的强度的调整，它取决于通过输出耦合得到的总强度。
上述类型的波导或包括所述波导的显示器可以单色或彩色运行。
当显示器的至少一个波导由一个单一光源供给时，或者在显示器中有多个波导的情况下所有光源具有相同的光谱，优选可以构造成单色显示器。
为了获得显示器的彩色显示，尤其是上述类型的，本发明可以在一个可能的实施方案中设置，经由相应的子像素按时间顺序一个接一个地输出不同的光谱，显示器或每个其中设置的波导优选包括至少三个光源，可以按时间顺序一个接一个地控制所述光源并发射具有不同光谱的各种光，将它们耦合到显示器的相应的波导中。这种操作还可以称为光源的时间复用。
用于显示器中的彩色显示的另一实施方案中，可以将每个彩色发光像素再分为子单元，每个子单元形成不同颜色的子像素。每个子像素又由实现模式的节点位移的装置来限定，在这种情况下，利用显示彩色图像区域的不同子单元的装置，将不同波长的各种光从波导输出耦合。
这可以例如通过每个子单元都具有不同的影响光传播的结构来实现。
例如，每个子单元可以具有不同的光栅/不同的光栅周期性，在相同的衍射方向上将不同光谱组成的光从波导输出耦合。每个结构还可以具有不同的滤色器，特别是设计为带通滤波器的滤色器，波导模式仅允许在输出去耦过程中与滤色器匹配的光谱范围。这些实施方案中，优选设置白光以波导模式传播，即具有覆盖眼睛的光谱灵敏度的波长组成的光。从所述总光谱中，每个结构因此输出耦合不同的波长范围。
在另一个实施方案中，通过相应的子像素的结构可以进行不同的波长转换。为此例如可以在像素的每个子像素的结构中使用波长转换物质，特别是不同的磷光体。在本实施方案中，在显示器的至少一个波导中一种模式可以传播，所述模式的波长优选可以实现不同的转换。所述波导模式的波长可以优选选择对应显示器的最短波长颜色，因此通过白色散射产生所述最短波长颜色和通过发光产生较长波长颜色。在另一个实施方案中，可以选择波导模式的波长比显示器的所有颜色都短(特别是紫色波长或紫外波长)，因此显示器的所有颜色都可以通过发光产生。
形成显示器的彩色发光像素的子单元的子像素，它可以在空间上彼此相邻地布置，但也可以在空间上堆叠地布置在波导的各个其他堆叠平面，特别是在堆叠方向上互相交错的布置。
本发明的一个实施方案因此可以设置，在显示器中彼此堆叠地布置多个波导，优选至少三个波导，特别是其中不同的堆叠的波导具有用于耦合光的光源，所述光源的波长光谱不同，特别是共同覆盖所选的彩色空间的那类光源。
属于显示器的彩色发光像素的子像素和用于限定所述子像素的堆叠的波导的多个装置，它们优选在堆叠方向上是不对齐的，特别是交错布置的。
所述堆叠方向优选对应垂直于扩散方向的方向，特别是至少垂直于在波导中传播的模式的中心扩散方向。所述堆叠方向优选对应层在其生产期间的生长方向。
因此，由于至少三个相邻并位于不同的层平面的子像素，光从不同的光谱射出并因此整体产生彩色的像素，它优选包含至少三个子像素。所述装置可以同时控制这种彩色的图像区域的相邻子像素，从而实现光输出耦合。
然而，显示器的每个波导通常也可以如前所述通常包括多个单独的光源，每个单独的光源可以产生不同波长光谱的光，并且按照时间顺序一个接一个地控制不同的光源，以便从每个像素连续地发射所有波长光谱的光。因此，出现彩色的图像区域仅由子像素及其控制装置(电极)形成，通过人眼的惯性引起彩色的印象。在这种情况下，没有结构子单元或几何子单元，单个子像素由于在时间上一个接一个的不同颜色的多次发光而称为彩色像素。
具体实施方式
以下将对具体实施例进行说明。
图1示出波长532nm的te1模式的强度分布i(x)，它是根据所给出的波导的折射率分布n(x)通过传递矩阵算法确定的。薄膜模式(filmmode)te1的近似值适用于在横向上具有足够大伸展的波导。如上所述，本发明意义上的条状
在本发明意义上，对这种薄膜波导的选择通常可以考虑te1，还有tm1，以及相应的更高模式ten、tmn，其中n>1。只有对于非常窄的条状波导，模式的选择通常会考虑在生产方向上具有节点的相应的衍生模式he10。不过在此还可以考虑eh10，以及大体上所有的模式henm和ehnm，其中n≥1。在条宽度方向上的节点的数目在此是任意的。
图1示例性地限制在了通常所选择的薄膜模式上。较高折射的用于控制模式的波导的主导部分在x＝400nm和x＝1400nm之间形成，其中所述模式也逐渐地伸入到低折射的外部区域(x<400nm，x>1400nm)，在计算中假设为无限厚。事实上，所述外部区域的厚度应大于波长。总厚度为1μm的较高折射区域在此由两个厚度为490nm的外层和一个内层组成。厚度为20nm且假设折射率为1.5的内层应代表所述结构。
传递矩阵算法仅描述了一种理想的无限扩展的薄膜波导的简单解决方案。因此，该算法相应地需要完美的层。严格的说，前述结构不满足所述要求，因为在理想的层意义上所述结构是不允许平的，而是粗糙的或者至少折射率或吸收是不均匀的。
尽管可以假设位于波导的节点内或至少接近的非常薄的结构内部的不均匀性，所述结构不会导致所述结构内部te1模式的填充因子(在附图中简化为ff)明显改变。这种假设的有效性已通过利用薄的散射结构的预演得到证实。
在所描述的简化的假设条件下，模拟可以确定所述结构与所述模式的填充因子。这很好地适用于衡量模式与结构的相互作用有多强。
本发明意义上好的波导是这样一种波导，即在通过装置引起失调的条件下，模式的选择带来结构内部填充因子的最大化改变。
图1中实施例示出一种没有失调的完全对称的波导。这种对称的优势在于，te1模式的节点不依赖于波长即光的颜色而总是精确地位于波导的中央。这同样适用于具有奇数n的所有ten和tmn模式。因此在本发明意义上对称的波导通常是特别优选的，因为可以在宽带条件下实现根据本发明的功能性。尤其是对于彩色显示器，这种波导也是特别优选的。
为了打破这种对称，在模拟中假设外部围绕所述结构的高折射层的折射率增加了百分之一(初始值是1.6)达到1.616。同时保持所有其余的层的折射率不变。波导的这种轻微失调的结果是填充因子从2.5x10-5增加到1.4x10-3。层的折射率增加一个百分点，则在所述实施例中所述结构的填充因子改变10个因数(5600个百分点)。这么大的改变对于波导的创造性功能来说是必不可少的。也同样与基于所述原理的显示器的对比度直接相关。
图2示出根据本发明的波导，它具有位于底部的衬底1，一个接一个设置在衬底上的两个层结构3a和3b。在这个实施方案中，每个层结构包括两个透明的介电层3a1、3a2和/或3b1和3b2，其中所述层结构3a和3b之间设置有光输出耦合的层4。层4在此可以构造成例如覆盖有颗粒的金属层。
通过调整层厚度和适当地选择曾材料的折射率，使得耦合到波导中的光被构造成具有恰好一个节点5a的横向模式5(在本实施例中)，它们的位置与光输出耦合层4的位置是一致的。因此所述模式的传播在波导中几乎不被层4干扰。
根据图2的下部区域，所构成的模式因此可以在波导中依照箭头7无损失地传播。在波导的一端可以进行反射涂布，从而实现反射(由弯曲的箭头表示)。
根据本发明，例如在与光输出耦合的层4邻接地放置电极6a，并且在衬底和靠下的层结构3b的第一层之间构造另外的电极。在靠下的层结构3b中，选择上层3b2作为具有光电特性的层，它的折射率可能受到在电极6a和6b之间可能形成的电场的影响。
从图2看出不受干扰的模式扩散的情况，也就是没有切换电场，节点位置5a与输出耦合的层4的位置是一致的。
根据图3，在电极6a和6b之间形成了电场，导致层结构3b中的局部折射率改变，在此例如是根据图2的3b2中。波导由此失调，使得波导中节点位置相对于层4产生位移。因此，横向模式分布的显著强度与层4的相互作用，使得根据箭头8的光从波导输出耦合。与图1相比，图2和图3中的强度分布不是精确的解决方案，而仅仅用作可视化的草图。
图4至图6示出了电极定位的不同实施方案。在这些实施方案中，所述结构在波导中是位置固定的，而波导受到影响，使得馈电模式的节点位置稍微改变。
在图4中，如已经对图2和图3所描述的那样布置电极6a、6b。根据图4底部示出的，产生横向的电场，所述横向电场穿过垂直于模式的传播方向的层3b2并由此改变了层3b2的折射率。所述结构的缺点在于，电场强度e的值随着电极间距d(e～d-1)的增加而减小。恰好不位于节点中的下部的电极6b要求高电极间距d，以便保持模式的传播损失最小化。在所述结构中，必须在传播损失和尽可能低的开关电压之间找到折衷方案。图5中的结构示出了解决该问题的方法。
在图5中选择这样的布置，其中至少部分地形成的装置的所有电极布置在节点位置或至少在节点位置周围的区域中。在本实施方案中，所述装置包括一个接一个放置的电极6a至6e等。在此，在本实施例中，每个电极和与之相隔一个的电极处于相同的电位(即，6a、6c、6e...在一个电位，6b、6d…在第二个不同的电位)。因此，在两个相邻的电极之间施加电场，所述电场在下部区域又穿过层3b2并改变它的折射率。在预先给定的施加电压下，局部作用的场强不再仅取决于介电层的厚度，而主要取决于电极间距l。目前为止，l<<d可以达到特别低的开关电压。因为所有电极和结构都在节点中，在这种情况下可以实现低的传播损失。
在图6中，光输出耦合结构由位于节点位置周围区域的闪光光栅形成，优选地根据概述部分中所述的条件。这里放大显示光栅结构仅为了更好的可识别性，并且实际上可以位于上面限定的强度环境中。
在此这样选择实施方案，使得所述光栅结构包括倾斜于传播方向布置的电极表面，既不与所述传播方向垂直也不平行。在一个实施方案中(上方的线路图)，如已在图5中描述的，每隔一个电极可能处于相同的电位，在它们之间可以相应地产生电场。所述场基本上对准波的扩散方向，其中中央的(主要)场方向从电极之间的一个区域反转到下一个区域。根据下方的线路图，还可以产生主要的场组成部分在传播方向上没有方向反转的场。在此也以这种方式在层3b2中改变折射率并且使得节点位置发生位移。
图7示出了一个实施方案，其中所述结构在波导中机械地失调，特别是在局部位移的意义上。所述结构在此例如由金属膜形成，同时形成电极。所述膜处于高折射率的电介质3a1内部的空的或充满空气的体积(v)中。在本实施例中，不需要光学厚度可通过电场改变的层。在没有施加场的情况下，相应的膜电极6b、6c，...是平坦的并且具有平行于层平面的平面。因此，所述膜电极是平的并且适合于模式的节点。
通过在膜电极和公共接地电极6a之间施加电压，相应的膜电极从节点移位并因此与所导入的波更强地相互作用。子像素可以由单个膜电极限定，或者优选地由一组几个，特别是至少两个优选相邻的膜电极与公共电极6a一起来限定。最后，后一个实施方案还可以产生具有可调节光栅周期的人造光栅，从而调整局部输出耦合的颜色和/或方向依赖性。为此例如对于不同的光栅周期，还可以将不同数量的优选相邻的膜电极组合形成相应的组。在一组内，例如膜电极都以相同的方式控制。
图8和图9示出由多个用于局部节点位移的装置构造成单色显示器的实施方案。
图8中的波导基本上具有根据图2的结构，然而在图中未显示的结构的平面上布置了电极10a、10b，…构成的第一组，其中每个电极10在y-方向上纵向伸展。所述电极都是彼此平行且间隔开的。因此在波导的衬底(图中未显示)和最下部的介电层之间布置了电极11a、11b，…构成的第二组。这些电极也是彼此平行且间隔开的，但是在z-方向上纵向伸展并且因此垂直于第一组。
所述组的每个单个电极可以加载不同的电位，其中不同的组加载不同的电位，从而在两组的电极之间产生电位差并因此形成电场。
所述电场出现在重叠区域12，两个具有不同电位的电极10、11在堆叠方向x上观察到交叉。因此，通过交叉区域来限定应发生光输出耦合的像素，因为只有在所述交叉区域所传播的模式的节点位置发生位移。在彩色显示器中，单个的子像素也将经历类似过程。
因此，第一组可以限定可能的行位置，和第二组可以限定可能的列位置。
只要波导具有单个的光源，则得到单色显示器。所述光源(图中以i0表示)的光随后根据本发明尽可能均匀地照亮显示器的整个表面。通过在时间上顺序地控制不同的光源，相同的子像素可以在时间复用上也多色驱动。右下角的方案(图中以s表示)应明确，整个显示器是由单个波导(粗体矩形)构成的，并且行和列的选择都通过单个电极的寻址来完成(细线)。
图9示出同样基本上对应图2的结构的实施方案。但是在此这样构建波导，使得上部的层结构3a在波导的表面上不是连续，而是由相邻的平行间隔的条构成。每个条带在此形成显示器的行。在另一个实施方案中，还可以将层结构3b从所述条之间移除。
在所示的实施例中，在整个表面上构造成下部的层结构3b，并且涉及全面的光输出耦合层4，全面的电极6a，它们都因此定位在节点位置或至少在其周围区域，以及上部的层结构3a的所有条。上部的层结构3a的条都是平行的，并且在与行方向对应的第一方向y上纵向伸展。
在下部的层结构3b的下方布置有条状电极6b、6c、6d，...，它们平行地间隔开并且在方向z上纵向伸展，垂直于方向y。
上部的层结构3a的每个条具有至少一个单独的光源(图中以i0表示)，因此，通过此一整条与光总是淹没，并且在由所述条和下部的层结构3b形成的波导中扩散光，但由于所述条而受横向限制。因此，通过控制相应的光源来限定显示器中的行位置。
通过控制所需的电极(6b、6c、6d，...)来限定所需的列位置。因此，光仅从层结构3a的发光条输出耦合，在该发光条下由电极3b产生电场。像素和/或子像素在此由在层结构3a和电极6b的条的堆叠方向上观察的重叠区域来限定。右下角的方案(图中以s表示)应明确，整个显示器是由各种不同的波导(粗体矩形)构成的，可实现行的选择，而只有列的选择通过单个电极的寻址来完成(细线)。该方案如图10中所示。
图10示意性地示出了实现彩色显示器的方案。如图9所示，它由允许行限定的条状波导组成。在条状波导的末端对光的耦合在此以第n个波导为例(图中以wn表示)放大地展示出来，且对于每个条状波导来说都以对应的方式来完成。首先，必须确保激发，将尽可能高比例的入射光强度耦合到显示器功能必需的正确模式。
可能的实现方案的示例是光栅耦合器。它将特定波长的入射光在特定方向上耦合到特定有效折射率的波导模式上。通过设置精确的角度在此例如可以确保，几乎所有的光被耦合到所述te1模式而不是在对应的基本模式(grundmode)中，因为所述基本模式的光会立即强烈从所述结构输出耦合并且在应用中损失掉。参与的模式的有效折射率差别越大(波导设计)，光源的光谱宽度(光谱的波长的差距)和光束发散(在光栅耦合器上的入射角度的差距)越小，则功能发挥的越好。后者的要求可以利用激光器很好地满足。
在实施例中，但一般情况也具有有效性，闪光光栅可以为了光耦合应用在波导中，将其施加在相应的波导的末端，在此是条状的波导的末端。所述光栅示例性地由垂直于条的长度的平行线来表示。在需要的方向上使用多个，在此使用三个极化的激光束(图中以i01、i02、i03表示)，例如红色、绿色、蓝色，它们通过所涂布的闪光光栅非常有效地(典型地高出50％)耦合到所需的模式中。它们为此通常在所述光栅上以不同的角度相遇。
右侧图示出射入光栅的激光器(i0,i)的相应亮度，它是作为时间的函数(用t表示)。在本实施例中关键是，在任何时间点上只有一个激光束击中波导。因此总是单色照明。另外(图10中未示出)，总是仅点亮一行。因此，带有文字的框(wi,i≠n)标记了显示器的所有其他波导或行被照亮的时间段。总的来说，就是一次只用一种颜色照亮一行(即一个条状波导)。所述照明的相应亮度在此是可以改变的。
列的选择(垂直的线和带有文字cb的框)通过相应装置的电寻址来实现(如图9示例性示出和描述的)。恰好接通的波导的恰好切换到的颜色的所有子像素的亮度值，在此可以同时对他们进行寻址，因为对仍然是黑的其他波导不起作用。这实现了一种新的，尤其是非常快速的显示器寻址类型。不管是对列的选择，还是对行的照明，一般来说都可以使用模拟电平(analogepegel)。图10中右侧的图示出亮度级是变化的。这对应了前面描述的“光源的强度的调整”。对于待照明的子像素的较大数目或亮度的情况，为了达到每个子像素期望的亮度这是必要的。另外，所述模拟电平可以用于列的选择，以便补偿一些波导内部不可忽略的传播损失。所述装置由此可以更好地控制距离光源较远的列。
由于期望的切换速度极高和高的局部强度，这些是通过激光束可达到的，甚至可以设想，同样在时间上一个接一个地来切换恰好接通的波导的恰好切换到的颜色的子像素。在这种情况下，在任何时间点上只接通具有一种颜色的一个子像素。相应地不需要“光源的强度的控制”，而是仅仅必须补偿可能的传播损失。这可以相应地确保对光源的电平的选择(取决于恰好切换到的像素位置)，从而在对列的选择方面可以回归到恒定的电平。
使用激光作为光源的优点是，可实现特别大的色彩空间。缺点可能是生产成本方面的。在最简单的情况下，根据图10的显示器可以在每个显示行使用三个激光器。但是，因为任何时候只有一行被点亮，将列选择的概念转移到行选择也是完全合理的。这在图11中示意性地示出。
图11示出了类似于图10的示意图。光源(i0,i)的光被耦合到一个公共的光源波导(从上到下延伸的粗的矩形)或耦合到每个光源的光源波导。现在也用根据本发明的方法完成行的选择(在图中通过水平线和lb代表的框来表示)。在恰好行位置处，来自光源波导的光被耦合到显示器的对应波导的这个行位置(多个从左到右延伸的粗的矩形)。以所描述的方式实现从所述波导到所选择的列的输出耦合。所述列选择在图中通过垂直线和cb代表的框来表示。这种布置的优点是减少了总体所需的光源。在最简单的情况下，三个相应高效的光源，优选激光器足以用于整个彩色显示器。
对于此申请所依据的项目，财政拨款协议637367号已根据欧盟的研究与创新计划“地平线2020”提供资金。
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